La parola biomarcatore è l'abbreviazione di marcatore biologico, un termine che si riferisce a un evento misurabile che si verifica in un sistema biologico, come il corpo umano. Questo evento viene quindi interpretato come riflesso, o marcatore, di uno stato più generale dell'organismo o dell'aspettativa di vita. Nella medicina del lavoro, un biomarcatore viene generalmente utilizzato come indicatore dello stato di salute o del rischio di malattia.

I biomarcatori sono utilizzati per studi in vitro e in vivo che possono includere esseri umani. Di solito vengono identificati tre tipi specifici di marcatori biologici. Sebbene alcuni biomarcatori possano essere difficili da classificare, di solito sono separati in biomarcatori di esposizione, biomarcatori di effetto o biomarcatori di suscettibilità (vedi tabella 1).

Tabella 1. Esempi di biomarcatori di esposizione o biomarcatori di effetto utilizzati negli studi tossicologici nella salute sul lavoro

Dato un grado accettabile di validità, i biomarcatori possono essere impiegati per diversi scopi. Su base individuale, un biomarcatore può essere utilizzato per supportare o confutare una diagnosi di un particolare tipo di avvelenamento o altri effetti avversi indotti chimicamente. In un soggetto sano, un biomarcatore può anche riflettere l'ipersensibilità individuale a specifiche esposizioni chimiche e può quindi servire come base per la previsione del rischio e la consulenza. In gruppi di lavoratori esposti, è possibile applicare alcuni biomarcatori di esposizione per valutare il grado di conformità alle normative sull'abbattimento dell'inquinamento o l'efficacia degli sforzi preventivi in ​​generale.

Biomarcatori di esposizione

Un biomarcatore di esposizione può essere un composto esogeno (o un metabolita) all'interno del corpo, un prodotto interattivo tra il composto (o il metabolita) e un componente endogeno o un altro evento correlato all'esposizione. Più comunemente, i biomarcatori di esposizioni a composti stabili, come i metalli, comprendono misurazioni delle concentrazioni di metalli in campioni appropriati, come sangue, siero o urina. Con le sostanze chimiche volatili, può essere valutata la loro concentrazione nell'aria espirata (dopo l'inalazione di aria priva di contaminazioni). Se il composto viene metabolizzato nel corpo, uno o più metaboliti possono essere scelti come biomarcatore dell'esposizione; i metaboliti sono spesso determinati nei campioni di urina.

I moderni metodi di analisi possono consentire la separazione di isomeri o congeneri di composti organici e la determinazione della speciazione di composti metallici o dei rapporti isotopici di alcuni elementi. Analisi sofisticate consentono di determinare i cambiamenti nella struttura del DNA o di altre macromolecole causati dal legame con sostanze chimiche reattive. Tali tecniche avanzate acquisiranno senza dubbio un'importanza considerevole per le applicazioni negli studi sui biomarcatori, ed è probabile che limiti di rilevamento più bassi e una migliore validità analitica renderanno questi biomarcatori ancora più utili.

Sviluppi particolarmente promettenti si sono verificati con biomarcatori di esposizione a sostanze chimiche mutagene. Questi composti sono reattivi e possono formare addotti con macromolecole, come proteine ​​o DNA. Gli addotti del DNA possono essere rilevati nei globuli bianchi o nelle biopsie tissutali e specifici frammenti di DNA possono essere escreti nelle urine. Ad esempio, l'esposizione all'ossido di etilene provoca reazioni con le basi del DNA e, dopo l'escissione della base danneggiata, l'N-7-(2-idrossietil)guanina verrà eliminata nelle urine. Alcuni addotti potrebbero non riferirsi direttamente a una particolare esposizione. Ad esempio, l'8-idrossi-2'-deossiguanosina riflette il danno ossidativo al DNA e questa reazione può essere innescata da diversi composti chimici, la maggior parte dei quali induce anche la perossidazione lipidica.

Altre macromolecole possono anche essere modificate dalla formazione di addotti o dall'ossidazione. Di particolare interesse, tali composti reattivi possono generare addotti di emoglobina che possono essere determinati come biomarcatori di esposizione ai composti. Il vantaggio è che si possono ottenere ampie quantità di emoglobina da un campione di sangue e, data la durata di quattro mesi dei globuli rossi, gli addotti formati con gli amminoacidi della proteina indicheranno l'esposizione totale durante questo periodo.

Gli addotti possono essere determinati mediante tecniche sensibili come la cromatografia lipidica ad alte prestazioni e sono disponibili anche alcuni metodi immunologici. In generale, i metodi analitici sono nuovi, costosi e necessitano di ulteriore sviluppo e validazione. Una migliore sensibilità può essere ottenuta utilizzando il ³²P test di etichettatura post, che è un'indicazione non specifica che si è verificato un danno al DNA. Tutte queste tecniche sono potenzialmente utili per il monitoraggio biologico e sono state applicate in un numero crescente di studi. Tuttavia, sono necessari metodi analitici più semplici e più sensibili. Data la specificità limitata di alcuni metodi a bassi livelli di esposizione, il fumo di tabacco o altri fattori possono avere un impatto significativo sui risultati della misurazione, causando difficoltà di interpretazione.

L'esposizione a composti mutageni, oa composti che vengono metabolizzati in mutageni, può anche essere determinata valutando la mutagenicità dell'urina di un individuo esposto. Il campione di urina viene incubato con un ceppo batterico in cui una specifica mutazione puntiforme è espressa in modo facilmente misurabile. Se nel campione di urina sono presenti sostanze chimiche mutagene, si verificherà un aumento del tasso di mutazioni nei batteri.

I biomarcatori dell'esposizione devono essere valutati in relazione alla variazione temporale dell'esposizione e alla relazione con i diversi compartimenti. Pertanto, l'intervallo di tempo rappresentato dal biomarcatore, ovvero la misura in cui la misurazione del biomarcatore riflette l'esposizione o le esposizioni passate e/o il carico corporeo accumulato, deve essere determinato dai dati tossicocinetici per interpretare il risultato. In particolare, dovrebbe essere considerato il grado in cui il biomarcatore indica la ritenzione in specifici organi bersaglio. Sebbene i campioni di sangue siano spesso utilizzati per gli studi sui biomarcatori, il sangue periferico generalmente non è considerato un compartimento in quanto tale, sebbene funga da mezzo di trasporto tra i compartimenti. Il grado in cui la concentrazione nel sangue riflette i livelli nei diversi organi varia ampiamente tra le diverse sostanze chimiche e di solito dipende anche dalla durata dell'esposizione e dal tempo trascorso dall'esposizione.

A volte questo tipo di evidenza viene utilizzato per classificare un biomarcatore come un indicatore della dose (totale) assorbita o un indicatore della dose efficace (cioè la quantità che ha raggiunto il tessuto bersaglio). Ad esempio, l'esposizione a un particolare solvente può essere valutata dai dati sulla concentrazione effettiva del solvente nel sangue in un particolare momento dopo l'esposizione. Questa misurazione rifletterà la quantità di solvente che è stata assorbita nel corpo. Parte della quantità assorbita verrà espirata a causa della tensione di vapore del solvente. Mentre circola nel sangue, il solvente interagirà con vari componenti del corpo e alla fine sarà soggetto a degradazione da parte degli enzimi. L'esito dei processi metabolici può essere valutato determinando specifici acidi mercapturici prodotti per coniugazione con il glutatione. L'escrezione cumulativa degli acidi mercapturici può riflettere meglio la dose efficace rispetto alla concentrazione ematica.

Gli eventi della vita, come la riproduzione e la senescenza, possono influenzare la distribuzione di una sostanza chimica. La distribuzione delle sostanze chimiche all'interno del corpo è significativamente influenzata dalla gravidanza e molte sostanze chimiche possono attraversare la barriera placentare, causando così l'esposizione del feto. L'allattamento può comportare l'escrezione di sostanze chimiche liposolubili, portando così a una ridotta ritenzione nella madre insieme a un aumento dell'assorbimento da parte del bambino. Durante la perdita di peso o lo sviluppo dell'osteoporosi, possono essere rilasciate sostanze chimiche immagazzinate, che possono quindi provocare una rinnovata e prolungata esposizione "endogena" degli organi bersaglio. Altri fattori possono influenzare l'assorbimento individuale, il metabolismo, la ritenzione e la distribuzione di composti chimici e sono disponibili alcuni biomarcatori di suscettibilità (vedi sotto).

Biomarcatori di effetto

Un indicatore di effetto può essere un componente endogeno, o una misura della capacità funzionale, o qualche altro indicatore dello stato o dell'equilibrio del corpo o del sistema di organi, come influenzato dall'esposizione. Tali marcatori di effetto sono generalmente indicatori preclinici di anomalie.

Questi biomarcatori possono essere specifici o non specifici. I biomarcatori specifici sono utili perché indicano un effetto biologico di una particolare esposizione, fornendo quindi evidenze potenzialmente utilizzabili a scopo preventivo. I biomarcatori non specifici non indicano una singola causa dell'effetto, ma possono riflettere l'effetto totale e integrato dovuto a un'esposizione mista. Entrambi i tipi di biomarcatori possono quindi essere di notevole utilità nella salute sul lavoro.

Non esiste una chiara distinzione tra biomarcatori di esposizione e biomarcatori di effetto. Ad esempio, si potrebbe dire che la formazione di addotti riflette un effetto piuttosto che l'esposizione. Tuttavia, i biomarcatori dell'effetto di solito indicano cambiamenti nelle funzioni delle cellule, dei tessuti o di tutto il corpo. Alcuni ricercatori includono cambiamenti grossolani, come un aumento del peso del fegato degli animali da laboratorio esposti o una diminuzione della crescita nei bambini, come biomarcatori dell'effetto. Ai fini della salute sul lavoro, i biomarcatori degli effetti dovrebbero essere limitati a quelli che indicano cambiamenti biochimici subclinici o reversibili, come l'inibizione degli enzimi. L'effetto biomarcatore più frequentemente utilizzato è probabilmente l'inibizione della colinesterasi causata da alcuni insetticidi, cioè organofosfati e carbammati. Nella maggior parte dei casi, questo effetto è del tutto reversibile e l'inibizione enzimatica riflette l'esposizione totale a questo particolare gruppo di insetticidi.

Alcune esposizioni non provocano l'inibizione enzimatica ma piuttosto un aumento dell'attività di un enzima. Questo è il caso di diversi enzimi che appartengono alla famiglia P450 (vedi “Determinanti genetici della risposta tossica”). Possono essere indotti dall'esposizione a determinati solventi e idrocarburi poliaromatici (IPA). Poiché questi enzimi sono espressi principalmente in tessuti dai quali può essere difficile ottenere una biopsia, l'attività enzimatica viene determinata indirettamente in vivo somministrando un composto che viene metabolizzato da quel particolare enzima, e quindi il prodotto di degradazione viene misurato nelle urine o nel plasma.

Altre esposizioni possono indurre la sintesi di una proteina protettiva nel corpo. L'esempio migliore è probabilmente la metallotioneina, che lega il cadmio e favorisce l'escrezione di questo metallo; l'esposizione al cadmio è uno dei fattori che determinano un aumento dell'espressione del gene della metallotioneina. Potrebbero esistere proteine ​​protettive simili, ma non sono state ancora esplorate a sufficienza per essere accettate come biomarcatori. Tra i candidati per un possibile utilizzo come biomarcatori ci sono le cosiddette proteine ​​dello stress, originariamente chiamate proteine ​​da shock termico. Queste proteine ​​sono generate da una gamma di organismi diversi in risposta a una varietà di esposizioni avverse.

Il danno ossidativo può essere valutato determinando la concentrazione di malondialdeide nel siero o l'esalazione di etano. Allo stesso modo, l'escrezione urinaria di proteine ​​con un piccolo peso molecolare, come l'albumina, può essere utilizzata come biomarcatore di danno renale precoce. Diversi parametri abitualmente utilizzati nella pratica clinica (ad esempio, ormoni sierici o livelli di enzimi) possono anche essere utili come biomarcatori. Tuttavia, molti di questi parametri potrebbero non essere sufficientemente sensibili per rilevare una compromissione precoce.

Un altro gruppo di parametri di effetto riguarda gli effetti genotossici (cambiamenti nella struttura dei cromosomi). Tali effetti possono essere rilevati mediante microscopia dei globuli bianchi che subiscono la divisione cellulare. Al microscopio si possono vedere gravi danni ai cromosomi - aberrazioni cromosomiche o formazione di micronuclei. Il danno può anche essere rivelato aggiungendo un colorante alle cellule durante la divisione cellulare. L'esposizione a un agente genotossico può quindi essere visualizzata come un aumento dello scambio del colorante tra i due cromatidi di ciascun cromosoma (scambio di cromatidi fratelli). Le aberrazioni cromosomiche sono correlate a un aumentato rischio di sviluppare il cancro, ma il significato di un aumento del tasso di scambio di cromatidi fratelli è meno chiaro.

Una valutazione più sofisticata della genotossicità si basa su particolari mutazioni puntiformi nelle cellule somatiche, cioè globuli bianchi o cellule epiteliali ottenute dalla mucosa orale. Una mutazione in un locus specifico può rendere le cellule capaci di crescere in una coltura che contiene una sostanza chimica altrimenti tossica (come la 6-tioguanina). In alternativa, può essere valutato uno specifico prodotto genico (p. es., concentrazioni sieriche o tissutali di oncoproteine ​​codificate da particolari oncogeni). Ovviamente, queste mutazioni riflettono il danno genotossico totale subito e non indicano necessariamente nulla sull'esposizione causale. Questi metodi non sono ancora pronti per l'uso pratico nella medicina del lavoro, ma i rapidi progressi in questa linea di ricerca suggeriscono che tali metodi saranno disponibili entro pochi anni.

Biomarcatori di suscettibilità

Un marcatore di suscettibilità, ereditaria o indotta, è un indicatore che l'individuo è particolarmente sensibile all'effetto di uno xenobiotico o agli effetti di un gruppo di tali composti. La maggior parte dell'attenzione è stata focalizzata sulla suscettibilità genetica, sebbene altri fattori possano essere almeno altrettanto importanti. L'ipersensibilità può essere dovuta a un tratto ereditario, alla costituzione dell'individuo oa fattori ambientali.

La capacità di metabolizzare alcune sostanze chimiche è variabile ed è geneticamente determinata (vedi “Determinanti genetici della risposta tossica”). Diversi enzimi rilevanti sembrano essere controllati da un singolo gene. Ad esempio, l'ossidazione di sostanze chimiche estranee viene effettuata principalmente da una famiglia di enzimi appartenenti alla famiglia P450. Altri enzimi rendono i metaboliti più solubili in acqua per coniugazione (p. es., N-acetiltransferasi e μ-glutatione-S-transferasi). L'attività di questi enzimi è geneticamente controllata e varia considerevolmente. Come accennato in precedenza, l'attività può essere determinata somministrando una piccola dose di un farmaco e quindi determinando la quantità del metabolita nelle urine. Alcuni dei geni sono stati ora caratterizzati e sono disponibili tecniche per determinare il genotipo. Importanti studi suggeriscono che il rischio di sviluppare determinate forme tumorali è correlato alla capacità di metabolizzare composti estranei. Molte domande rimangono ancora senza risposta, limitando così in questo momento l'uso di questi potenziali biomarcatori di suscettibilità nella salute sul lavoro.

Altri tratti ereditari, come l'alfa₁-la carenza di antitripsina o la carenza di glucosio-6-fosfato deidrogenasi, provocano anch'esse meccanismi di difesa carenti nell'organismo, causando in tal modo ipersuscettibilità a determinate esposizioni.

La maggior parte delle ricerche relative alla suscettibilità si è occupata della predisposizione genetica. Anche altri fattori giocano un ruolo e sono stati in parte trascurati. Ad esempio, gli individui con una malattia cronica possono essere più sensibili a un'esposizione professionale. Inoltre, se un processo patologico o una precedente esposizione a sostanze chimiche tossiche ha causato danni subclinici agli organi, è probabile che la capacità di resistere a una nuova esposizione tossica sia inferiore. Gli indicatori biochimici della funzione dell'organo possono in questo caso essere usati come biomarcatori di suscettibilità. Forse il miglior esempio di ipersuscettibilità riguarda le risposte allergiche. Se un individuo è diventato sensibilizzato a una particolare esposizione, nel siero possono essere rilevati anticorpi specifici. Anche se l'individuo non è diventato sensibilizzato, altre esposizioni attuali o passate possono aumentare il rischio di sviluppare un effetto avverso correlato a un'esposizione professionale.

Uno dei problemi principali è determinare l'effetto congiunto delle esposizioni miste sul lavoro. Inoltre, le abitudini personali e l'uso di droghe possono determinare un aumento della suscettibilità. Ad esempio, il fumo di tabacco di solito contiene una notevole quantità di cadmio. Pertanto, con l'esposizione professionale al cadmio, un forte fumatore che ha accumulato quantità sostanziali di questo metallo nel corpo sarà a maggior rischio di sviluppare malattie renali correlate al cadmio.

Applicazione in medicina del lavoro

I biomarcatori sono estremamente utili nella ricerca tossicologica e molti possono essere applicabili nel monitoraggio biologico. Tuttavia, anche i limiti devono essere riconosciuti. Molti biomarcatori sono stati finora studiati solo su animali da laboratorio. I modelli tossicocinetici in altre specie potrebbero non riflettere necessariamente la situazione negli esseri umani e l'estrapolazione potrebbe richiedere studi di conferma su volontari umani. Inoltre, si deve tener conto delle variazioni individuali dovute a fattori genetici o costituzionali.

In alcuni casi, i biomarcatori di esposizione potrebbero non essere affatto fattibili (ad esempio, per sostanze chimiche che hanno vita breve in vivo). Altre sostanze chimiche possono essere immagazzinate o influenzare organi a cui non è possibile accedere con procedure di routine, come il sistema nervoso. La via di esposizione può anche influenzare il modello di distribuzione e quindi anche la misurazione del biomarcatore e la sua interpretazione. Ad esempio, è probabile che l'esposizione diretta del cervello attraverso il nervo olfattivo sfugga al rilevamento mediante la misurazione dei biomarcatori dell'esposizione. Per quanto riguarda l'effetto sui biomarcatori, molti di essi non sono affatto specifici e il cambiamento può essere dovuto a una varietà di cause, inclusi i fattori dello stile di vita. Forse in particolare con i biomarcatori di suscettibilità, l'interpretazione deve essere molto cauta al momento, poiché rimangono molte incertezze sul significato generale per la salute dei singoli genotipi.

Nella medicina del lavoro, il biomarcatore ideale dovrebbe soddisfare diversi requisiti. Prima di tutto, la raccolta e l'analisi dei campioni devono essere semplici e affidabili. Per una qualità analitica ottimale è necessaria la standardizzazione, ma i requisiti specifici variano considerevolmente. Le principali aree di interesse includono: la preparazione dell'individuo, la procedura di campionamento e la manipolazione del campione e la procedura di misurazione; quest'ultimo comprende fattori tecnici, come le procedure di calibrazione e garanzia della qualità, e fattori individuali, come l'istruzione e la formazione degli operatori.

Per la documentazione della validità analitica e della tracciabilità, i materiali di riferimento dovrebbero essere basati su matrici pertinenti e con concentrazioni adeguate di sostanze tossiche o metaboliti rilevanti a livelli appropriati. Affinché i biomarcatori vengano utilizzati per il monitoraggio biologico o per scopi diagnostici, i laboratori responsabili devono disporre di procedure analitiche ben documentate con caratteristiche prestazionali definite e registrazioni accessibili per consentire la verifica dei risultati. Allo stesso tempo, tuttavia, devono essere considerati gli aspetti economici della caratterizzazione e dell'utilizzo di materiali di riferimento per integrare le procedure di garanzia della qualità in generale. Pertanto, la qualità ottenibile dei risultati e gli usi a cui sono destinati devono essere bilanciati con i costi aggiuntivi della garanzia della qualità, compresi i materiali di riferimento, la manodopera e la strumentazione.

Un altro requisito è che il biomarcatore sia specifico, almeno nelle circostanze dello studio, per un particolare tipo di esposizione, con una chiara relazione con il grado di esposizione. In caso contrario, il risultato della misurazione del biomarcatore potrebbe essere troppo difficile da interpretare. Per una corretta interpretazione del risultato della misurazione di un biomarcatore di esposizione, deve essere nota la validità diagnostica (ovvero, la traduzione del valore del biomarcatore nell'entità dei possibili rischi per la salute). In quest'area, i metalli fungono da paradigma per la ricerca sui biomarcatori. Recenti ricerche hanno dimostrato la complessità e la sottigliezza delle relazioni dose-risposta, con notevoli difficoltà nell'identificare i livelli senza effetto e quindi anche nel definire le esposizioni tollerabili. Tuttavia, questo tipo di ricerca ha anche illustrato i tipi di indagine e il perfezionamento necessari per scoprire le informazioni rilevanti. Per la maggior parte dei composti organici non sono ancora disponibili associazioni quantitative tra le esposizioni ei corrispondenti effetti avversi sulla salute; in molti casi, anche gli organi bersaglio primari non sono noti con certezza. Inoltre, la valutazione dei dati sulla tossicità e delle concentrazioni di biomarcatori è spesso complicata dall'esposizione a miscele di sostanze, piuttosto che dall'esposizione a un singolo composto in quel momento.

Prima che il biomarcatore venga applicato a fini di salute sul lavoro, sono necessarie alcune considerazioni aggiuntive. In primo luogo, il biomarcatore deve riflettere solo un cambiamento subclinico e reversibile. In secondo luogo, dato che i risultati del biomarcatore possono essere interpretati in relazione ai rischi per la salute, dovrebbero essere disponibili sforzi preventivi e dovrebbero essere considerati realistici nel caso in cui i dati del biomarcatore suggeriscano la necessità di ridurre l'esposizione. In terzo luogo, l'uso pratico del biomarcatore deve essere generalmente considerato eticamente accettabile.

Le misure di igiene industriale possono essere confrontate con i limiti di esposizione applicabili. Allo stesso modo, i risultati sui biomarcatori di esposizione o sui biomarcatori di effetto possono essere confrontati con i limiti di azione biologica, a volte indicati come indici di esposizione biologica. Tali limiti dovrebbero essere basati sui migliori consigli di clinici e scienziati di discipline appropriate, e gli amministratori responsabili come "gestori del rischio" dovrebbero quindi tenere conto di fattori etici, sociali, culturali ed economici rilevanti. La base scientifica dovrebbe, se possibile, includere rapporti dose-risposta integrati da informazioni sulle variazioni di suscettibilità all'interno della popolazione a rischio. In alcuni paesi, i lavoratori ei membri del pubblico in generale sono coinvolti nel processo di definizione degli standard e forniscono un contributo importante, in particolare quando l'incertezza scientifica è considerevole. Una delle maggiori incertezze è come definire un effetto avverso sulla salute che dovrebbe essere prevenuto, ad esempio se la formazione di addotti come biomarcatore di esposizione rappresenti di per sé un effetto avverso (cioè un biomarcatore di effetto) che dovrebbe essere prevenuto. È probabile che sorgano questioni difficili quando si decide se sia eticamente difendibile, per lo stesso composto, avere limiti diversi per l'esposizione avventizia, da un lato, e l'esposizione professionale, dall'altro.

Le informazioni generate dall'uso dei biomarcatori dovrebbero generalmente essere trasmesse agli individui esaminati all'interno del rapporto medico-paziente. Le preoccupazioni etiche devono essere considerate in particolare in relazione alle analisi di biomarcatori altamente sperimentali che attualmente non possono essere interpretate in dettaglio in termini di effettivi rischi per la salute. Per la popolazione generale, ad esempio, attualmente esistono orientamenti limitati per quanto riguarda l'interpretazione di biomarcatori di esposizione diversi dalla concentrazione di piombo nel sangue. Altrettanto importante è la fiducia nei dati generati (vale a dire, se è stato effettuato un campionamento appropriato e se nel laboratorio coinvolto sono state utilizzate valide procedure di garanzia della qualità). Un'ulteriore area di particolare preoccupazione riguarda l'ipersensibilità individuale. Questi problemi devono essere presi in considerazione quando si fornisce il feedback dallo studio.

Tutti i settori della società interessati o interessati alla realizzazione di uno studio sui biomarcatori devono essere coinvolti nel processo decisionale su come gestire le informazioni generate dallo studio. Procedure specifiche per prevenire o superare inevitabili conflitti etici dovrebbero essere sviluppate all'interno dei quadri legali e sociali della regione o del paese. Tuttavia, ogni situazione rappresenta una serie diversa di domande e insidie ​​e non è possibile sviluppare un'unica procedura per il coinvolgimento del pubblico per coprire tutte le applicazioni dei biomarcatori di esposizione.

Di ritorno

La valutazione della tossicità genetica è la valutazione degli agenti per la loro capacità di indurre uno dei tre tipi generali di cambiamenti (mutazioni) nel materiale genetico (DNA): genico, cromosomico e genomico. In organismi come gli esseri umani, i geni sono composti da DNA, che consiste di singole unità chiamate basi nucleotidiche. I geni sono disposti in strutture fisiche discrete chiamate cromosomi. La genotossicità può provocare effetti significativi e irreversibili sulla salute umana. Il danno genotossico è un passaggio critico nell'induzione del cancro e può anche essere coinvolto nell'induzione di difetti alla nascita e morte fetale. Le tre classi di mutazioni sopra menzionate possono verificarsi all'interno di uno dei due tipi di tessuti posseduti da organismi come gli esseri umani: spermatozoi o uova (cellule germinali) e il tessuto rimanente (cellule somatiche).

I test che misurano la mutazione genica sono quelli che rilevano la sostituzione, l'aggiunta o la delezione di nucleotidi all'interno di un gene. I test che misurano la mutazione cromosomica sono quelli che rilevano rotture o riarrangiamenti cromosomici che coinvolgono uno o più cromosomi. I test che misurano la mutazione genomica sono quelli che rilevano i cambiamenti nel numero di cromosomi, una condizione chiamata aneuploidia. La valutazione della tossicità genetica è cambiata notevolmente dallo sviluppo da parte di Herman Muller nel 1927 del primo test per rilevare agenti genotossici (mutageni). Da allora sono stati sviluppati più di 200 test che misurano le mutazioni nel DNA; tuttavia, oggi vengono utilizzati comunemente meno di dieci test per la valutazione della tossicità genetica. Questo articolo esamina questi test, descrive ciò che misurano ed esplora il ruolo di questi test nella valutazione della tossicità.

Identificazione dei rischi di cancroPrima dello sviluppo del Campo di tossicologia genetica

La tossicologia genetica è diventata parte integrante del processo complessivo di valutazione del rischio e negli ultimi tempi ha guadagnato importanza come predittore affidabile dell'attività cancerogena. Tuttavia, prima dello sviluppo della tossicologia genetica (prima del 1970), altri metodi erano e sono tuttora utilizzati per identificare potenziali rischi di cancro per l'uomo. Esistono sei principali categorie di metodi attualmente utilizzati per identificare i rischi di cancro nell'uomo: studi epidemiologici, saggi biologici in vivo a lungo termine, saggi biologici in vivo a medio termine, saggi biologici in vivo e in vitro a breve termine, intelligenza artificiale (struttura-attività), e inferenza basata sui meccanismi.

La tabella 1 fornisce vantaggi e svantaggi per questi metodi.

Tabella 1. Vantaggi e svantaggi dei metodi attuali per l'identificazione dei rischi di cancro nell'uomo

Basi razionali e concettuali per saggi di tossicologia genetica

Sebbene i tipi e i numeri esatti dei test utilizzati per la valutazione della tossicità genetica siano in continua evoluzione e varino da paese a paese, i più comuni includono test per (1) mutazione genica in batteri e/o cellule di mammifero in coltura e (2) mutazione cromosomica in cellule di mammifero in coltura e/o midollo osseo all'interno di topi viventi. Alcuni dei test all'interno di questa seconda categoria possono anche rilevare l'aneuploidia. Sebbene questi test non rilevino mutazioni nelle cellule germinali, vengono utilizzati principalmente a causa del costo aggiuntivo e della complessità dell'esecuzione dei test delle cellule germinali. Tuttavia, i test delle cellule germinali nei topi vengono utilizzati quando si desiderano informazioni sugli effetti delle cellule germinali.

Studi sistematici su un periodo di 25 anni (1970-1995), in particolare presso il National Toxicology Program degli Stati Uniti nella Carolina del Nord, hanno portato all'uso di un numero discreto di test per rilevare l'attività mutagena degli agenti. Il fondamento logico per valutare l'utilità dei saggi si basava sulla loro capacità di rilevare agenti che causano il cancro nei roditori e che si sospetta causino il cancro nell'uomo (cioè agenti cancerogeni). Questo perché gli studi degli ultimi decenni hanno indicato che le cellule tumorali contengono mutazioni in alcuni geni e che molti agenti cancerogeni sono anche mutageni. Pertanto, le cellule tumorali sono viste come contenenti mutazioni delle cellule somatiche e la cancerogenesi è vista come un tipo di mutagenesi delle cellule somatiche.

I test di tossicità genetica utilizzati più comunemente oggi sono stati selezionati non solo per il loro ampio database, il costo relativamente basso e la facilità di esecuzione, ma perché hanno dimostrato di rilevare molti roditori e, presumibilmente, agenti cancerogeni per l'uomo. Di conseguenza, i test di tossicità genetica vengono utilizzati per prevedere la potenziale cancerogenicità degli agenti.

Un importante sviluppo concettuale e pratico nel campo della tossicologia genetica è stato il riconoscimento che molti cancerogeni sono stati modificati dagli enzimi all'interno del corpo, creando forme alterate (metaboliti) che erano spesso la forma cancerogena e mutagena definitiva della sostanza chimica madre. Per duplicare questo metabolismo in una capsula di Petri, Heinrich Malling ha dimostrato che l'inclusione di un preparato di fegato di roditore conteneva molti degli enzimi necessari per eseguire questa conversione o attivazione metabolica. Pertanto, molti test di tossicità genetica eseguiti in piastre o provette (in vitro) impiegano l'aggiunta di preparazioni enzimatiche simili. Le preparazioni semplici sono chiamate mix S9 e le preparazioni purificate sono chiamate microsomi. Alcune cellule batteriche e di mammifero sono state ora geneticamente modificate per contenere alcuni dei geni di roditori o umani che producono questi enzimi, riducendo la necessità di aggiungere mix S9 o microsomi.

Saggi e tecniche di tossicologia genetica

I principali sistemi batterici utilizzati per lo screening della tossicità genetica sono il saggio di mutagenicità Salmonella (Ames) e, in misura molto minore, il ceppo WP2 di Escherichia coli. Gli studi della metà degli anni '1980 hanno indicato che l'uso di soli due ceppi del sistema Salmonella (TA98 e TA100) era sufficiente per rilevare circa il 90% dei mutageni conosciuti di Salmonella. Pertanto, questi due ceppi vengono utilizzati per la maggior parte degli scopi di screening; tuttavia, sono disponibili vari altri ceppi per test più approfonditi.

Questi saggi vengono eseguiti in vari modi, ma due procedure generali sono i saggi di incorporazione su piastra e di sospensione liquida. Nel saggio di incorporazione su piastra, le cellule, la sostanza chimica in esame e (se desiderato) l'S9 vengono aggiunti insieme in un agar liquefatto e versati sulla superficie di una piastra di agar petri. L'agar superiore si indurisce in pochi minuti e le piastre vengono incubate per due o tre giorni, dopodiché le cellule mutanti sono cresciute per formare gruppi di cellule visivamente rilevabili chiamate colonie, che vengono poi contate. Il terreno di agar contiene agenti selettivi o è composto da ingredienti tali che cresceranno solo le cellule appena mutate. Il test di incubazione con liquido è simile, tranne per il fatto che le cellule, l'agente del test e l'S9 vengono incubati insieme in un liquido che non contiene agar liquefatto, quindi le cellule vengono lavate via dall'agente del test e dall'S9 e seminate sull'agar.

Le mutazioni nelle cellule di mammifero in coltura vengono rilevate principalmente in uno dei due geni: hprt ed tk. Analogamente ai saggi batterici, le linee cellulari di mammifero (sviluppate da roditori o cellule umane) vengono esposte all'agente di prova in piastre o provette di coltura di plastica e quindi vengono seminate in piastre di coltura che contengono terreno con un agente selettivo che consente solo alle cellule mutanti di crescere . I saggi utilizzati a questo scopo includono il CHO/HPRT, il TK6 e il linfoma di topo L5178Y/TK^+/- saggi. Vengono utilizzate anche altre linee cellulari contenenti varie mutazioni di riparazione del DNA e contenenti alcuni geni umani coinvolti nel metabolismo. Questi sistemi consentono il recupero di mutazioni all'interno del gene (mutazione genica) così come mutazioni che coinvolgono regioni del cromosoma che fiancheggiano il gene (mutazione cromosomica). Tuttavia, quest'ultimo tipo di mutazione viene recuperato in misura molto maggiore dal tk sistemi genici che dal hprt sistemi genici a causa della posizione del tk scomodo.

Analogamente al saggio di incubazione in liquido per la mutagenicità batterica, i saggi di mutagenicità su cellule di mammifero comportano generalmente l'esposizione delle cellule in piastre o provette di coltura in presenza dell'agente in esame e S9 per diverse ore. Le cellule vengono quindi lavate, coltivate per diversi giorni per consentire la degradazione dei prodotti genici normali (wild-type) e l'espressione e l'accumulo dei nuovi prodotti genici mutanti, quindi vengono seminate in un terreno contenente un agente selettivo che consente solo le cellule mutanti a crescere. Come i test batterici, le cellule mutanti crescono in colonie visivamente rilevabili che vengono poi contate.

La mutazione cromosomica è identificata principalmente mediante analisi citogenetiche, che comportano l'esposizione di roditori e/o cellule di roditori o umane in piastre di coltura a una sostanza chimica in esame, consentendo il verificarsi di una o più divisioni cellulari, la colorazione dei cromosomi e quindi l'esame visivo dei cromosomi attraverso un microscopio per rilevare alterazioni nella struttura o nel numero di cromosomi. Sebbene sia possibile esaminare una varietà di endpoint, i due attualmente accettati dalle agenzie di regolamentazione come i più significativi sono le aberrazioni cromosomiche e una sottocategoria chiamata micronuclei.

Sono necessarie una notevole formazione ed esperienza per valutare le cellule per la presenza di aberrazioni cromosomiche, rendendo questa procedura costosa in termini di tempo e denaro. Al contrario, i micronuclei richiedono poco addestramento e il loro rilevamento può essere automatizzato. I micronuclei appaiono come piccoli punti all'interno della cellula che sono distinti dal nucleo, che contiene i cromosomi. I micronuclei derivano dalla rottura del cromosoma o dall'aneuploidia. A causa della facilità di scoring dei micronuclei rispetto alle aberrazioni cromosomiche, e poiché studi recenti indicano che gli agenti che inducono aberrazioni cromosomiche nel midollo osseo di topi viventi generalmente inducono micronuclei in questo tessuto, i micronuclei sono ora comunemente misurati come un'indicazione della capacità di un agente per indurre la mutazione cromosomica.

Sebbene i test sulle cellule germinali siano utilizzati molto meno frequentemente rispetto agli altri test sopra descritti, sono indispensabili per determinare se un agente rappresenta un rischio per le cellule germinali, le cui mutazioni possono portare a effetti sulla salute nelle generazioni successive. I test delle cellule germinali più comunemente usati sono nei topi e coinvolgono sistemi che rilevano (1) traslocazioni ereditabili (scambi) tra i cromosomi (test di traslocazione ereditaria), (2) mutazioni geniche o cromosomiche che coinvolgono geni specifici (specifico visibile o biochimico-locus saggi) e (3) mutazioni che influenzano la vitalità (dosaggio letale dominante). Come per i saggi sulle cellule somatiche, il presupposto di lavoro con i saggi sulle cellule germinali è che si presume che gli agenti positivi in ​​questi saggi siano potenziali mutageni delle cellule germinali umane.

Stato attuale e prospettive future

Studi recenti hanno indicato che erano necessarie solo tre informazioni per rilevare circa il 90% di un insieme di 41 cancerogeni per roditori (cioè presunti cancerogeni per l'uomo e mutageni delle cellule somatiche). Questi includevano (1) la conoscenza della struttura chimica dell'agente, specialmente se contiene frazioni elettrofile (vedere la sezione sulle relazioni struttura-attività); (2) dati sulla mutagenicità della Salmonella; e (3) dati da un test di tossicità cronica di 90 giorni nei roditori (topi e ratti). In effetti, essenzialmente tutti gli agenti cancerogeni per l'uomo dichiarati dalla IARC sono rilevabili come mutageni utilizzando solo il test Salmonella e il test del micronucleo del midollo osseo di topo. L'uso di questi test di mutagenicità per rilevare potenziali agenti cancerogeni per l'uomo è ulteriormente supportato dalla scoperta che la maggior parte degli agenti cancerogeni per l'uomo è cancerogena sia nei ratti che nei topi (cancerogeni transspecie) e che la maggior parte degli agenti cancerogeni transspecie è mutagena nella Salmonella e/o induce micronuclei nel midollo osseo del topo.

Con i progressi nella tecnologia del DNA, il progetto sul genoma umano e una migliore comprensione del ruolo della mutazione nel cancro, si stanno sviluppando nuovi test di genotossicità che saranno probabilmente incorporati nelle procedure di screening standard. Tra questi c'è l'uso di cellule transgeniche e di roditori. I sistemi transgenici sono quelli in cui un gene di un'altra specie è stato introdotto in una cellula o in un organismo. Ad esempio, i topi transgenici sono ora in uso sperimentale che consentono il rilevamento della mutazione in qualsiasi organo o tessuto dell'animale, sulla base dell'introduzione di un gene batterico nel topo. Sono ora disponibili cellule batteriche, come Salmonella, e cellule di mammifero (comprese linee cellulari umane) che contengono geni coinvolti nel metabolismo di agenti cancerogeni/mutageni, come i geni P450. Analisi molecolare delle effettive mutazioni indotte nel transgene all'interno di roditori transgenici o all'interno di geni nativi come hprt, oppure è ora possibile analizzare i geni bersaglio all'interno della Salmonella, in modo da poter determinare l'esatta natura delle mutazioni indotte dalle sostanze chimiche, fornendo informazioni sul meccanismo d'azione della sostanza chimica e consentendo confronti con le mutazioni negli esseri umani presumibilmente esposti all'agente .

I progressi molecolari nella citogenetica ora consentono una valutazione più dettagliata delle mutazioni cromosomiche. Questi includono l'uso di sonde (piccoli pezzi di DNA) che si attaccano (ibridano) a geni specifici. I riarrangiamenti dei geni sul cromosoma possono quindi essere rivelati dalla posizione alterata delle sonde, che sono fluorescenti e facilmente visualizzabili come settori colorati sui cromosomi. Il test di elettroforesi su gel a singola cellula per la rottura del DNA (comunemente chiamato test "cometa") consente il rilevamento di rotture del DNA all'interno di singole cellule e può diventare uno strumento estremamente utile in combinazione con tecniche citogenetiche per rilevare il danno cromosomico.

Dopo molti anni di utilizzo e la generazione di un database ampio e sviluppato in modo sistematico, la valutazione della tossicità genetica può ora essere eseguita con pochi test a costi relativamente ridotti in un breve periodo di tempo (poche settimane). I dati prodotti possono essere utilizzati per prevedere la capacità di un agente di essere un roditore e, presumibilmente, cancerogeno per l'uomo/mutageno di cellule somatiche. Tale capacità consente di limitare l'introduzione nell'ambiente di agenti mutageni e cancerogeni e di sviluppare agenti alternativi non mutageni. Gli studi futuri dovrebbero portare a metodi ancora migliori con una maggiore predittività rispetto ai test attuali.

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