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33. Toxicologia

Editora do Capítulo: Ellen K. Silbergeld


Conteúdo

Tabelas e Figuras

Introdução
Ellen K. Silbergeld, Editora do Capítulo

Princípios Gerais de Toxicologia

Definições e Conceitos
Bo Holmberg, Johan Hogberg e Gunnar Johanson

Toxicocinética
Dušan Djuríc

Órgão alvo e efeitos críticos
Marek Jakubowski

Efeitos da idade, sexo e outros fatores
Spomenka Telišman

Determinantes Genéticos da Resposta Tóxica
Daniel W. Nebert e Ross A. McKinnon

Mecanismos de Toxicidade

Introdução e Conceitos
Philip G. Watanabe

Lesão celular e morte celular
Benjamin F. Trump e Irene K. Berezsky

Toxicologia Genética
R. Rita Misra e Michael P. Waalkes

Imunotoxicologia
Joseph G. Vos e Henk van Loveren

Toxicologia de órgãos-alvo
Ellen K. Silbergeld

Métodos de Teste Toxicológico

Biomarcadores
Philippe Grandjean

Avaliação de Toxicidade Genética
David M. DeMarini e James Huff

Teste de Toxicidade In Vitro
Joanne Zurlo

Relacionamentos de atividade de estrutura
Ellen K. Silbergeld

Toxicologia Regulatória

Regulação de Toxicologia em Saúde e Segurança
Ellen K. Silbergeld

Princípios de Identificação de Perigos - A Abordagem Japonesa
Masayuki Ikeda

A Abordagem dos Estados Unidos para Avaliação de Risco de Tóxicos Reprodutivos e Agentes Neurotóxicos
Ellen K. Silbergeld

Abordagens para identificação de perigos - IARC
Harri Vainio e Julian Wilbourn

Apêndice - Avaliações gerais de carcinogenicidade para humanos: IARC Monographs Volumes 1-69 (836)

Avaliação de risco cancerígeno: outras abordagens
Cees A. van der Heijden

Tabelas 

Clique em um link abaixo para ver a tabela no contexto do artigo.

  1. Exemplos de órgãos críticos e efeitos críticos
  2. Efeitos básicos de possíveis interações múltiplas de metais
  3. Adutos de hemoglobina em trabalhadores expostos a anilina e acetanilida
  4. Distúrbios hereditários, propensos ao câncer e defeitos no reparo do DNA
  5. Exemplos de produtos químicos que exibem genotoxicidade em células humanas
  6. Classificação de testes para marcadores imunológicos
  7. Exemplos de biomarcadores de exposição
  8. Prós e contras de métodos para identificar riscos de câncer humano
  9. Comparação de sistemas in vitro para estudos de hepatotoxicidade
  10. Comparação de SAR e dados de teste: análises OCDE/NTP
  11. Regulamentação de substâncias químicas por leis, Japão
  12. Itens de teste sob a Lei de Controle de Substâncias Químicas, Japão
  13. Substâncias químicas e a Lei de Controle de Substâncias Químicas
  14. Principais incidentes de neurotoxicidade selecionados
  15. Exemplos de testes especializados para medir a neurotoxicidade
  16. Endpoints em toxicologia reprodutiva
  17. Comparação de procedimentos de extrapolação de baixa dose
  18. Modelos frequentemente citados na caracterização do risco cancerígeno

figuras

Aponte para uma miniatura para ver a legenda da figura, clique para ver a figura no contexto do artigo.

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Segunda-feira, 20 dezembro 2010 19: 16

Definições e Conceitos

Exposição, Dose e Resposta

Toxicidade é a capacidade intrínseca de um agente químico de afetar adversamente um organismo.

Xenobióticos é um termo para “substâncias estranhas”, isto é, estranhas ao organismo. Seu oposto são os compostos endógenos. Os xenobióticos incluem drogas, produtos químicos industriais, venenos naturais e poluentes ambientais.

Perigo é o potencial para que a toxicidade seja realizada em um ambiente ou situação específica.

Risco é a probabilidade de ocorrência de um efeito adverso específico. Muitas vezes, é expresso como a porcentagem de casos em uma determinada população e durante um período de tempo específico. Uma estimativa de risco pode ser baseada em casos reais ou uma projeção de casos futuros, baseada em extrapolações.

Classificação de toxicidade e classificação de toxicidade pode ser usado para fins regulatórios. A classificação de toxicidade é uma classificação arbitrária de doses ou níveis de exposição que causam efeitos tóxicos. A classificação pode ser “supertóxica”, “altamente tóxica”, “moderadamente tóxica” e assim por diante. As classificações mais comuns dizem respeito à toxicidade aguda. A classificação de toxicidade refere-se ao agrupamento de produtos químicos em categorias gerais de acordo com seu efeito tóxico mais importante. Essas categorias podem incluir alergênicos, neurotóxicos, cancerígenos e assim por diante. Esta classificação pode ter valor administrativo como advertência e como informação.

A relação dose-efeito é a relação entre dose e efeito no nível individual. Um aumento na dose pode aumentar a intensidade de um efeito, ou pode resultar em um efeito mais severo. Uma curva dose-efeito pode ser obtida ao nível de todo o organismo, da célula ou da molécula alvo. Alguns efeitos tóxicos, como morte ou câncer, não são classificados, mas são efeitos “todos ou nenhum”.

A relação dose-resposta é a relação entre a dose e a porcentagem de indivíduos que apresentam um efeito específico. Com o aumento da dose, um número maior de indivíduos na população exposta geralmente será afetado.

É essencial para a toxicologia estabelecer relações dose-efeito e dose-resposta. Em estudos médicos (epidemiológicos), um critério freqüentemente usado para aceitar uma relação causal entre um agente e uma doença é que o efeito ou resposta é proporcional à dose.

Várias curvas dose-resposta podem ser traçadas para um produto químico - uma para cada tipo de efeito. A curva dose-resposta para a maioria dos efeitos tóxicos (quando estudados em grandes populações) tem formato sigmoide. Geralmente existe uma faixa de baixa dose em que não há resposta detectada; à medida que a dose aumenta, a resposta segue uma curva ascendente que geralmente atingirá um platô em uma resposta de 100%. A curva dose-resposta reflete as variações entre os indivíduos de uma população. A inclinação da curva varia de químico para químico e entre diferentes tipos de efeitos. Para alguns produtos químicos com efeitos específicos (cancerígenos, iniciadores, mutagênicos), a curva dose-resposta pode ser linear a partir da dose zero dentro de um determinado intervalo de dose. Isso significa que não existe limite e que mesmo pequenas doses representam um risco. Acima desse intervalo de dose, o risco pode aumentar a uma taxa superior a uma taxa linear.

A variação na exposição durante o dia e a duração total da exposição ao longo da vida podem ser tão importantes para o resultado (resposta) quanto a média ou mesmo o nível de dose integrado. Exposições de alto pico podem ser mais prejudiciais do que um nível de exposição mais uniforme. Este é o caso de alguns solventes orgânicos. Por outro lado, para alguns carcinógenos, foi demonstrado experimentalmente que o fracionamento de uma única dose em várias exposições com a mesma dose total pode ser mais eficaz na produção de tumores.

A dosar é freqüentemente expressa como a quantidade de um xenobiótico que entra em um organismo (em unidades como mg/kg de peso corporal). A dose pode ser expressa de diferentes formas (mais ou menos informativas): dose de exposição, que é a concentração do ar do poluente inalado durante um determinado período de tempo (na higiene do trabalho geralmente oito horas), ou a retida or dose absorvida (em higiene industrial também chamado de carga corporal), que é a quantidade presente no corpo em um determinado momento durante ou após a exposição. o dose de tecido é a quantidade de substância em um tecido específico e o dose alvo é a quantidade de substância (geralmente um metabólito) ligada à molécula crítica. A dose alvo pode ser expressa em mg de ligação química por mg de uma macromolécula específica no tecido. Para aplicar este conceito, são necessárias informações sobre o mecanismo de ação tóxica em nível molecular. A dose-alvo está mais exatamente associada ao efeito tóxico. A dose de exposição ou a carga corporal podem estar mais facilmente disponíveis, mas são menos precisamente relacionadas ao efeito.

No conceito de dose, muitas vezes é incluído um aspecto de tempo, mesmo que nem sempre seja expresso. A dose teórica de acordo com a lei de Haber é D = ct, onde D é dose, c é a concentração do xenobiótico no ar e t a duração da exposição ao produto químico. Se este conceito for usado no órgão-alvo ou no nível molecular, pode ser usada a quantidade por mg de tecido ou molécula durante um determinado período de tempo. O aspecto do tempo é geralmente mais importante para a compreensão de exposições repetidas e efeitos crônicos do que para exposições únicas e efeitos agudos.

Efeitos aditivos ocorrem como resultado da exposição a uma combinação de produtos químicos, onde as toxicidades individuais são simplesmente adicionadas umas às outras (1+1=2). Quando os produtos químicos agem através do mesmo mecanismo, a aditividade de seus efeitos é assumida, embora nem sempre seja o caso na realidade. A interação entre produtos químicos pode resultar em uma inibição (antagonismo), com um efeito menor do que o esperado da adição dos efeitos dos produtos químicos individuais (1+1 2). Alternativamente, uma combinação de produtos químicos pode produzir um efeito mais pronunciado do que seria esperado pela adição (aumento da resposta entre indivíduos ou aumento na frequência de resposta em uma população). sinergismo (1+1 >2).

Tempo de latência é o tempo entre a primeira exposição e o aparecimento de um efeito ou resposta detectável. O termo é freqüentemente usado para efeitos cancerígenos, onde os tumores podem aparecer muito tempo após o início da exposição e, às vezes, muito tempo após o término da exposição.

A limite de dose é um nível de dose abaixo do qual nenhum efeito observável ocorre. Acredita-se que existam limites para certos efeitos, como efeitos tóxicos agudos; mas não para outros, como efeitos cancerígenos (por iniciadores formadores de adutos de DNA). A mera ausência de uma resposta em uma determinada população não deve, entretanto, ser tomada como evidência da existência de um limiar. A ausência de resposta pode ser devida a fenômenos estatísticos simples: um efeito adverso ocorrendo em baixa frequência pode não ser detectável em uma população pequena.

LD50 (dose efetiva) é a dose que causa 50% de letalidade em uma população animal. o ld50 é muitas vezes dada na literatura mais antiga como uma medida de toxicidade aguda de produtos químicos. Quanto maior o LD50, menor é a toxicidade aguda. Um produto químico altamente tóxico (com um baixo LD50) é dito ser potente. Não há correlação necessária entre toxicidade aguda e crônica. ED50 (dose efetiva) é a dose que causa um efeito específico diferente da letalidade em 50% dos animais.

NOEL (NOAEL) significa o nível de efeito não observado (adverso) ou a dose mais alta que não causa um efeito tóxico. Estabelecer um NOEL requer múltiplas doses, uma grande população e informações adicionais para garantir que a ausência de resposta não seja apenas um fenômeno estatístico. LOEL é a menor dose efetiva observada em uma curva dose-resposta, ou a menor dose que causa um efeito.

A factor de segurança é um número arbitrário formal com o qual se divide o NOEL ou LOEL derivado de experimentos com animais para obter uma dose admissível provisória para humanos. Isso é frequentemente usado na área de toxicologia alimentar, mas também pode ser usado em toxicologia ocupacional. Um fator de segurança também pode ser usado para extrapolação de dados de pequenas populações para populações maiores. Os fatores de segurança variam de 100 para 103. Um fator de segurança de dois pode normalmente ser suficiente para proteger de um efeito menos grave (como irritação) e um fator de até 1,000 pode ser usado para efeitos muito graves (como câncer). O termo factor de segurança poderia ser melhor substituído pelo termo proteção fator ou mesmo fator de incerteza. O uso do último termo reflete as incertezas científicas, como se os dados exatos de resposta à dose podem ser traduzidos de animais para humanos para o produto químico específico, efeito tóxico ou situação de exposição.

Extrapolações são estimativas teóricas qualitativas ou quantitativas de toxicidade (extrapolações de risco) derivadas da tradução de dados de uma espécie para outra ou de um conjunto de dados dose-resposta (normalmente na faixa de alta dose) para regiões de dose-resposta onde não existem dados. Extrapolações geralmente devem ser feitas para prever respostas tóxicas fora do intervalo de observação. A modelagem matemática é usada para extrapolações com base na compreensão do comportamento do produto químico no organismo (modelagem toxicocinética) ou com base na compreensão das probabilidades estatísticas de que eventos biológicos específicos ocorrerão (modelos com base biológica ou mecânica). Algumas agências nacionais desenvolveram modelos de extrapolação sofisticados como um método formalizado para prever riscos para fins regulatórios. (Consulte a discussão sobre avaliação de risco mais adiante neste capítulo.)

Efeitos sistêmicos são efeitos tóxicos em tecidos distantes da via de absorção.

Orgão alvo é o órgão primário ou mais sensível afetado após a exposição. O mesmo produto químico que entra no corpo por diferentes vias de exposição, dose, taxa de dose, sexo e espécie pode afetar diferentes órgãos-alvo. A interação entre produtos químicos ou entre produtos químicos e outros fatores também pode afetar diferentes órgãos-alvo.

Efeitos agudos ocorrem após exposição limitada e logo (horas, dias) após a exposição e podem ser reversíveis ou irreversíveis.

Efeitos crônicos ocorrer após exposição prolongada (meses, anos, décadas) e/ou persistir após cessar a exposição.

Agudo exposição é uma exposição de curta duração, enquanto Exposição crônica é a exposição de longo prazo (às vezes ao longo da vida).

Tolerância a um produto químico pode ocorrer quando exposições repetidas resultam em uma resposta mais baixa do que seria esperado sem o pré-tratamento.

Captação e Disposição

processos de transporte

Distribuição. Para entrar no organismo e chegar a um local onde o dano é produzido, uma substância estranha tem que passar por várias barreiras, incluindo células e suas membranas. A maioria das substâncias tóxicas passa através das membranas passivamente por difusão. Isso pode ocorrer para pequenas moléculas solúveis em água pela passagem por canais aquosos ou, para as lipossolúveis, por dissolução e difusão através da parte lipídica da membrana. O etanol, uma pequena molécula solúvel em água e gordura, difunde-se rapidamente através das membranas celulares.

Difusão de ácidos e bases fracos. Ácidos e bases fracos podem facilmente passar pelas membranas em sua forma não ionizada, solúvel em gordura, enquanto as formas ionizadas são muito polares para passar. O grau de ionização dessas substâncias depende do pH. Se existir um gradiente de pH através de uma membrana, eles se acumularão em um lado. A excreção urinária de ácidos e bases fracos é altamente dependente do pH urinário. O pH fetal ou embrionário é um pouco mais alto que o pH materno, causando um leve acúmulo de ácidos fracos no feto ou embrião.

Difusão facilitada. A passagem de uma substância pode ser facilitada por transportadores na membrana. A difusão facilitada é semelhante aos processos enzimáticos, pois é mediada por proteínas, altamente seletiva e saturável. Outras substâncias podem inibir o transporte facilitado de xenobióticos.

Transporte Ativo. Algumas substâncias são ativamente transportadas através das membranas celulares. Esse transporte é mediado por proteínas transportadoras em um processo análogo ao das enzimas. O transporte ativo é semelhante à difusão facilitada, mas pode ocorrer contra um gradiente de concentração. Requer entrada de energia e um inibidor metabólico pode bloquear o processo. A maioria dos poluentes ambientais não são transportados ativamente. Uma exceção é a secreção tubular ativa e a reabsorção de metabólitos ácidos nos rins.

Fagocitose é um processo em que células especializadas, como macrófagos, englobam partículas para posterior digestão. Esse processo de transporte é importante, por exemplo, para a remoção de partículas nos alvéolos.

Fluxo em massa. As substâncias também são transportadas no corpo junto com o movimento do ar no sistema respiratório durante a respiração e os movimentos do sangue, linfa ou urina.

Filtração. Devido à pressão hidrostática ou osmótica, a água flui em massa através dos poros do endotélio. Qualquer soluto que seja pequeno o suficiente será filtrado junto com a água. A filtração ocorre até certo ponto no leito capilar em todos os tecidos, mas é particularmente importante na formação da urina primária nos glomérulos renais.

Absorção

Absorção é a absorção de uma substância do ambiente para o organismo. O termo geralmente inclui não apenas a entrada no tecido de barreira, mas também o transporte adicional para o sangue circulante.

Absorção pulmonar. Os pulmões são a principal via de deposição e absorção de pequenas partículas transportadas pelo ar, gases, vapores e aerossóis. Para gases e vapores altamente solúveis em água, uma parte significativa da absorção ocorre no nariz e na árvore respiratória, mas para substâncias menos solúveis ocorre principalmente nos alvéolos pulmonares. Os alvéolos têm uma área de superfície muito grande (cerca de 100m2 em humanos). Além disso, a barreira de difusão é extremamente pequena, com apenas duas finas camadas de células e uma distância da ordem de micrômetros do ar alveolar à circulação sanguínea sistêmica. Isso torna os pulmões muito eficientes não apenas na troca de oxigênio e dióxido de carbono, mas também de outros gases e vapores. Em geral, a difusão através da parede alveolar é tão rápida que não limita a captação. Em vez disso, a taxa de absorção depende do fluxo (ventilação pulmonar, débito cardíaco) e da solubilidade (sangue: coeficiente de partição do ar). Outro fator importante é a eliminação metabólica. A importância relativa desses fatores para a absorção pulmonar varia muito para diferentes substâncias. A atividade física resulta em aumento da ventilação pulmonar e do débito cardíaco e diminuição do fluxo sanguíneo hepático (e, portanto, da taxa de biotransformação). Para muitas substâncias inaladas, isso leva a um aumento acentuado na absorção pulmonar.

Absorção percutânea. A pele é uma barreira muito eficiente. Além de sua função termorreguladora, tem como função proteger o organismo de micro-organismos, radiação ultravioleta e outros agentes deletérios, e também contra a perda excessiva de água. A distância de difusão na derme é da ordem de décimos de milímetros. Além disso, a camada de queratina tem uma resistência muito alta à difusão para a maioria das substâncias. No entanto, absorção dérmica significativa resultando em toxicidade pode ocorrer para algumas substâncias - substâncias lipossolúveis altamente tóxicas, como inseticidas organofosforados e solventes orgânicos, por exemplo. É provável que ocorra uma absorção significativa após a exposição a substâncias líquidas. A absorção percutânea de vapor pode ser importante para solventes com pressão de vapor muito baixa e alta afinidade com a água e a pele.

Absorção gastrointestinal ocorre após ingestão acidental ou intencional. Partículas maiores originalmente inaladas e depositadas no trato respiratório podem ser deglutidas após o transporte mucociliar para a faringe. Praticamente todas as substâncias solúveis são eficientemente absorvidas no trato gastrointestinal. O baixo pH do intestino pode facilitar a absorção, por exemplo, de metais.

Outras rotas. Em testes de toxicidade e outros experimentos, vias especiais de administração são frequentemente usadas por conveniência, embora sejam raras e geralmente não sejam relevantes no ambiente ocupacional. Essas vias incluem injeções intravenosa (IV), subcutânea (sc), intraperitoneal (ip) e intramuscular (im). Em geral, as substâncias são absorvidas em maior velocidade e de forma mais completa por essas vias, principalmente após injeção IV. Isso leva a picos de concentração de curta duração, mas altos, que podem aumentar a toxicidade de uma dose.

Distribuição

A distribuição de uma substância no organismo é um processo dinâmico que depende das taxas de absorção e eliminação, bem como do fluxo sanguíneo para os diferentes tecidos e suas afinidades pela substância. Moléculas pequenas, não carregadas, solúveis em água, cátions univalentes e a maioria dos ânions se difundem facilmente e, eventualmente, atingem uma distribuição relativamente uniforme no corpo.

Volume de distribuição é a quantidade de uma substância no corpo em um determinado momento, dividida pela concentração no sangue, plasma ou soro naquele momento. O valor não tem significado como volume físico, pois muitas substâncias não são distribuídas uniformemente no organismo. Um volume de distribuição inferior a um l/kg de peso corporal indica distribuição preferencial no sangue (ou soro ou plasma), enquanto um valor acima de um indica uma preferência por tecidos periféricos, como tecido adiposo, por substâncias lipossolúveis.

Acumulação é o acúmulo de uma substância em um tecido ou órgão em níveis mais elevados do que no sangue ou plasma. Também pode se referir a um acúmulo gradual ao longo do tempo no organismo. Muitos xenobióticos são altamente solúveis em gordura e tendem a se acumular no tecido adiposo, enquanto outros têm uma afinidade especial pelo osso. Por exemplo, o cálcio no osso pode ser trocado por cátions de chumbo, estrôncio, bário e rádio, e os grupos hidroxila no osso podem ser trocados por flúor.

Barreiras. Os vasos sanguíneos no cérebro, testículos e placenta têm características anatômicas especiais que inibem a passagem de grandes moléculas como proteínas. Essas características, muitas vezes referidas como barreiras hematoencefálicas, hematoencefálicas e hematoplacentárias, podem dar a falsa impressão de que impedem a passagem de qualquer substância. Essas barreiras são de pouca ou nenhuma importância para os xenobióticos que podem se difundir através das membranas celulares.

Ligação de sangue. As substâncias podem estar ligadas aos glóbulos vermelhos ou componentes do plasma, ou podem ocorrer sem ligação no sangue. O monóxido de carbono, o arsênico, o mercúrio orgânico e o cromo hexavalente apresentam alta afinidade pelas hemácias, enquanto o mercúrio inorgânico e o cromo trivalente apresentam preferência pelas proteínas plasmáticas. Várias outras substâncias também se ligam às proteínas plasmáticas. Apenas a fração não ligada está disponível para filtração ou difusão nos órgãos de eliminação. A ligação sanguínea pode, portanto, aumentar o tempo de residência no organismo, mas diminuir a absorção pelos órgãos-alvo.

Eliminação

Eliminação é o desaparecimento de uma substância no organismo. A eliminação pode envolver a excreção do corpo ou a transformação em outras substâncias não capturadas por um método específico de medição. A taxa de desaparecimento pode ser expressa pela constante da taxa de eliminação, meia-vida biológica ou depuração.

Curva de concentração-tempo. A curva de concentração no sangue (ou plasma) versus tempo é uma maneira conveniente de descrever a captação e disposição de um xenobiótico.

Área sob a curva (AUC) é a integral da concentração no sangue (plasma) ao longo do tempo. Quando a saturação metabólica e outros processos não lineares estão ausentes, a AUC é proporcional à quantidade de substância absorvida.

Intervalo biológico (ou meia-vida) é o tempo necessário após o término da exposição para reduzir a quantidade no organismo à metade. Como muitas vezes é difícil avaliar a quantidade total de uma substância, são utilizadas medições como a concentração no sangue (plasma). O intervalo deve ser usado com cautela, pois pode mudar, por exemplo, com a dose e o tempo de exposição. Além disso, muitas substâncias têm curvas de decaimento complexas com várias meias-vidas.

Biodisponibilidade é a fração de uma dose administrada que entra na circulação sistêmica. Na ausência de depuração pré-sistêmica, ou metabolismo de primeira passagem, a fração é um. Na exposição oral, a depuração pré-sistêmica pode ser devida ao metabolismo dentro do conteúdo gastrointestinal, parede intestinal ou fígado. O metabolismo de primeira passagem reduzirá a absorção sistêmica da substância e, em vez disso, aumentará a absorção de metabólitos. Isso pode levar a um padrão de toxicidade diferente.

Liberação é o volume de sangue (plasma) por unidade de tempo completamente limpo de uma substância. Para distinguir da depuração renal, por exemplo, o prefixo total, metabólico ou sangue (plasma) é frequentemente adicionado.

Liberação intrínseca é a capacidade das enzimas endógenas de transformar uma substância, e também é expressa em volume por unidade de tempo. Se a depuração intrínseca em um órgão for muito menor que o fluxo sanguíneo, diz-se que o metabolismo está com capacidade limitada. Por outro lado, se a depuração intrínseca for muito maior que o fluxo sanguíneo, o metabolismo é limitado pelo fluxo.

Excreção

A excreção é a saída de uma substância e seus produtos de biotransformação do organismo.

Excreção na urina e na bile. Os rins são os órgãos excretores mais importantes. Algumas substâncias, especialmente ácidos com alto peso molecular, são excretadas com a bile. Uma fração das substâncias excretadas pelas vias biliares pode ser reabsorvida nos intestinos. Este processo, circulação entero-hepática, é comum para substâncias conjugadas após a hidrólise intestinal do conjugado.

Outras vias de excreção. Algumas substâncias, como solventes orgânicos e produtos de degradação, como a acetona, são voláteis o suficiente para que uma fração considerável possa ser excretada por exalação após inalação. Pequenas moléculas solúveis em água, assim como as lipossolúveis, são prontamente secretadas para o feto através da placenta e para o leite em mamíferos. Para a mãe, a lactação pode ser uma via excretora quantitativamente importante para substâncias químicas lipossolúveis persistentes. A prole pode ser exposta secundariamente através da mãe durante a gravidez, bem como durante a lactação. Compostos solúveis em água podem, até certo ponto, ser excretados no suor e na saliva. Estas rotas são geralmente de menor importância. No entanto, como um grande volume de saliva é produzido e engolido, a excreção de saliva pode contribuir para a reabsorção do composto. Alguns metais, como o mercúrio, são excretados ligando-se permanentemente aos grupos sulfidrila da queratina do cabelo.

Modelos toxicocinéticos

Modelos matemáticos são ferramentas importantes para entender e descrever a absorção e disposição de substâncias estranhas. A maioria dos modelos é compartimental, ou seja, o organismo é representado por um ou mais compartimentos. Um compartimento é um volume quimicamente e fisicamente teórico no qual se supõe que a substância se distribua de maneira homogênea e instantânea. Modelos simples podem ser expressos como uma soma de termos exponenciais, enquanto os mais complicados requerem procedimentos numéricos em um computador para sua solução. Os modelos podem ser subdivididos em duas categorias, descritivos e fisiológicos.

In descritivo modelos, o ajuste aos dados medidos é realizado alterando os valores numéricos dos parâmetros do modelo ou até mesmo a própria estrutura do modelo. A estrutura do modelo normalmente tem pouco a ver com a estrutura do organismo. As vantagens da abordagem descritiva são que poucas suposições são feitas e não há necessidade de dados adicionais. Uma desvantagem dos modelos descritivos é sua utilidade limitada para extrapolações.

Modelos fisiológicos são construídos a partir de dados fisiológicos, anatômicos e outros dados independentes. O modelo é então refinado e validado por comparação com dados experimentais. Uma vantagem dos modelos fisiológicos é que eles podem ser usados ​​para fins de extrapolação. Por exemplo, a influência da atividade física na absorção e disposição de substâncias inaladas pode ser prevista a partir de ajustes fisiológicos conhecidos na ventilação e no débito cardíaco. Uma desvantagem dos modelos fisiológicos é que eles requerem uma grande quantidade de dados independentes.

Biotransformação

Biotransformação é um processo que leva a uma conversão metabólica de compostos estranhos (xenobióticos) no corpo. O processo é muitas vezes referido como metabolismo de xenobióticos. Como regra geral, o metabolismo converte os xenobióticos lipossolúveis em grandes metabólitos hidrossolúveis que podem ser efetivamente excretados.

O fígado é o principal local de biotransformação. Todos os xenobióticos retirados do intestino são transportados para o fígado por um único vaso sanguíneo.veia porta). Se ingerida em pequenas quantidades, uma substância estranha pode ser completamente metabolizada no fígado antes de atingir a circulação geral e outros órgãos (efeito de primeira passagem). Os xenobióticos inalados são distribuídos através da circulação geral para o fígado. Nesse caso, apenas uma fração da dose é metabolizada no fígado antes de atingir outros órgãos.

As células do fígado contêm várias enzimas que oxidam os xenobióticos. Essa oxidação geralmente ativa o composto - ele se torna mais reativo do que a molécula original. Na maioria dos casos, o metabólito oxidado é posteriormente metabolizado por outras enzimas em uma segunda fase. Essas enzimas conjugam o metabólito com um substrato endógeno, de modo que a molécula se torna maior e mais polar. Isso facilita a excreção.

As enzimas que metabolizam os xenobióticos também estão presentes em outros órgãos, como pulmões e rins. Nesses órgãos, eles podem desempenhar papéis específicos e qualitativamente importantes no metabolismo de certos xenobióticos. Metabólitos formados em um órgão podem ser posteriormente metabolizados em um segundo órgão. Bactérias no intestino também podem participar da biotransformação.

Os metabólitos dos xenobióticos podem ser excretados pelos rins ou pela bile. Eles também podem ser exalados pelos pulmões ou ligados a moléculas endógenas no corpo.

A relação entre biotransformação e toxicidade é complexa. A biotransformação pode ser vista como um processo necessário para a sobrevivência. Protege o organismo contra a toxicidade, evitando o acúmulo de substâncias nocivas no corpo. Entretanto, metabólitos intermediários reativos podem ser formados na biotransformação, e estes são potencialmente prejudiciais. Isso é chamado de ativação metabólica. Assim, a biotransformação também pode induzir toxicidade. Metabólitos intermediários oxidados que não são conjugados podem se ligar e danificar as estruturas celulares. Se, por exemplo, um metabólito xenobiótico se ligar ao DNA, uma mutação pode ser induzida (ver “Toxicologia genética”). Se o sistema de biotransformação estiver sobrecarregado, pode ocorrer destruição maciça de proteínas essenciais ou membranas lipídicas. Isso pode resultar em morte celular (consulte “Lesão celular e morte celular”).

Metabolismo é uma palavra frequentemente usada de forma intercambiável com biotransformação. Denota quebra química ou reações de síntese catalisadas por enzimas no corpo. Nutrientes de alimentos, compostos endógenos e xenobióticos são todos metabolizados no corpo.

ativação metabólica significa que um composto menos reativo é convertido em uma molécula mais reativa. Isso geralmente ocorre durante as reações da Fase 1.

Inativação metabólica significa que uma molécula ativa ou tóxica é convertida em um metabólito menos ativo. Isso geralmente ocorre durante as reações da Fase 2. Em certos casos, um metabólito inativado pode ser reativado, por exemplo, por clivagem enzimática.

Reação de fase 1 refere-se ao primeiro passo no metabolismo xenobiótico. Geralmente significa que o composto está oxidado. A oxidação geralmente torna o composto mais solúvel em água e facilita outras reações.

Enzimas do citocromo P450 são um grupo de enzimas que preferencialmente oxidam xenobióticos em reações de Fase 1. As diferentes enzimas são especializadas para lidar com grupos específicos de xenobióticos com determinadas características. Moléculas endógenas também são substratos. As enzimas do citocromo P450 são induzidas por xenobióticos de uma forma específica. A obtenção de dados de indução no citocromo P450 pode ser informativa sobre a natureza de exposições anteriores (consulte “Determinantes genéticos da resposta tóxica”).

Reação de fase 2 refere-se ao segundo passo no metabolismo xenobiótico. Geralmente significa que o composto oxidado está conjugado com (acoplado a) uma molécula endógena. Esta reação aumenta ainda mais a solubilidade em água. Muitos metabólitos conjugados são excretados ativamente pelos rins.

Transferases são um grupo de enzimas que catalisam as reações da Fase 2. Eles conjugam xenobióticos com compostos endógenos como glutationa, aminoácidos, ácido glucurônico ou sulfato.

Glutationa é uma molécula endógena, um tripeptídeo, que é conjugada com xenobióticos em reações de Fase 2. Está presente em todas as células (e nas células do fígado em altas concentrações) e geralmente protege dos xenobióticos ativados. Quando a glutationa é esgotada, podem ocorrer reações tóxicas entre metabólitos xenobióticos ativados e proteínas, lipídios ou DNA.

Indução significa que as enzimas envolvidas na biotransformação são aumentadas (em atividade ou quantidade) como resposta à exposição a xenobióticos. Em alguns casos, em poucos dias, a atividade enzimática pode aumentar várias vezes. A indução é frequentemente balanceada de modo que as reações da Fase 1 e da Fase 2 sejam aumentadas simultaneamente. Isso pode levar a uma biotransformação mais rápida e pode explicar a tolerância. Em contraste, a indução desequilibrada pode aumentar a toxicidade.

Inibição de biotransformação pode ocorrer se dois xenobióticos forem metabolizados pela mesma enzima. Os dois substratos têm que competir e geralmente um dos substratos é o preferido. Nesse caso, o segundo substrato não é metabolizado ou apenas metabolizado lentamente. Tal como acontece com a indução, a inibição pode aumentar, bem como diminuir a toxicidade.

ativação de oxigênio pode ser desencadeada por metabólitos de certos xenobióticos. Eles podem se auto-oxidar sob a produção de espécies de oxigênio ativado. Essas espécies derivadas de oxigênio, que incluem superóxido, peróxido de hidrogênio e o radical hidroxila, podem danificar o DNA, lipídios e proteínas nas células. A ativação do oxigênio também está envolvida em processos inflamatórios.

Variabilidade genética entre indivíduos é visto em muitos genes que codificam para as enzimas da Fase 1 e Fase 2. A variabilidade genética pode explicar por que certos indivíduos são mais suscetíveis aos efeitos tóxicos dos xenobióticos do que outros.

 

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Segunda-feira, 20 dezembro 2010 19: 18

Toxicocinética

O organismo humano representa um sistema biológico complexo em vários níveis de organização, desde o nível molecular-celular até os tecidos e órgãos. O organismo é um sistema aberto, trocando matéria e energia com o meio ambiente por meio de inúmeras reações bioquímicas em equilíbrio dinâmico. O ambiente pode estar poluído ou contaminado com vários tóxicos.

A penetração de moléculas ou íons de substâncias tóxicas do ambiente de trabalho ou de vida em um sistema biológico tão fortemente coordenado pode perturbar de forma reversível ou irreversível os processos bioquímicos celulares normais ou até mesmo ferir e destruir a célula (consulte “Lesão celular e morte celular”).

A penetração de um tóxico do ambiente para os locais de seu efeito tóxico dentro do organismo pode ser dividida em três fases:

  1. A fase de exposição abrange todos os processos que ocorrem entre vários tóxicos e/ou a influência sobre eles de fatores ambientais (luz, temperatura, umidade, etc.). Podem ocorrer transformações químicas, degradação, biodegradação (por microrganismos), bem como desintegração de substâncias tóxicas.
  2. A fase toxicocinética abrange a absorção de substâncias tóxicas no organismo e todos os processos que seguem o transporte por fluidos corporais, distribuição e acúmulo em tecidos e órgãos, biotransformação em metabólitos e eliminação (excreção) de substâncias tóxicas e/ou metabólitos do organismo.
  3. A fase toxicodinâmica refere-se à interação de substâncias tóxicas (moléculas, íons, colóides) com locais específicos de ação nas células ou dentro delas - receptores - produzindo, em última instância, um efeito tóxico.

 

Aqui focaremos nossa atenção exclusivamente nos processos toxicocinéticos dentro do organismo humano após a exposição a substâncias tóxicas no meio ambiente.

As moléculas ou íons de tóxicos presentes no ambiente irão penetrar no organismo através da pele e mucosa, ou das células epiteliais dos tratos respiratório e gastrointestinal, dependendo do ponto de entrada. Isso significa que moléculas e íons de tóxicos devem penetrar através das membranas celulares desses sistemas biológicos, bem como através de um intrincado sistema de endomembranas dentro da célula.

Todos os processos toxicocinéticos e toxicodinâmicos ocorrem no nível molecular-celular. Numerosos fatores influenciam esses processos e estes podem ser divididos em dois grupos básicos:

  • constituição química e propriedades físico-químicas de substâncias tóxicas
  • estrutura da célula especialmente propriedades e função das membranas ao redor da célula e suas organelas internas.

 

Propriedades físico-químicas de tóxicos

Em 1854, o toxicologista russo EV Pelikan iniciou estudos sobre a relação entre a estrutura química de uma substância e sua atividade biológica - a relação estrutura-atividade (SAR). A estrutura química determina diretamente as propriedades físico-químicas, algumas das quais são responsáveis ​​pela atividade biológica.

Para definir a estrutura química, vários parâmetros podem ser selecionados como descritores, que podem ser divididos em vários grupos:

1. Fisico quimica:

  • geral—ponto de fusão, ponto de ebulição, pressão de vapor, constante de dissociação (pKa)
  • elétrica—potencial de ionização, constante dielétrica, momento de dipolo, relação massa:carga, etc.
  • química quântica - carga atômica, energia de ligação, energia de ressonância, densidade eletrônica, reatividade molecular, etc.

 

 2. Estérico: volume molecular, forma e área de superfície, forma da subestrutura, reatividade molecular, etc.
 3. Estrutural: número de ligações número de anéis (em compostos policíclicos), extensão da ramificação, etc.

 

Para cada tóxico é necessário selecionar um conjunto de descritores relacionados a um determinado mecanismo de atividade. No entanto, do ponto de vista toxicocinético, dois parâmetros são de importância geral para todos os tóxicos:

  • O coeficiente de partição de Nernst (P) estabelece a solubilidade de moléculas tóxicas no sistema bifásico octanol (óleo)-água, correlacionando-se com sua lipo ou hidrossolubilidade. Este parâmetro terá grande influência na distribuição e acúmulo de moléculas tóxicas no organismo.
  • A constante de dissociação (pKa) define o grau de ionização (dissociação eletrolítica) de moléculas de um tóxico em cátions e ânions carregados em um determinado pH. Esta constante representa o pH no qual 50% de ionização é alcançada. As moléculas podem ser lipofílicas ou hidrofílicas, mas os íons são solúveis exclusivamente na água dos fluidos e tecidos corporais. Conhecendo o pKa é possível calcular o grau de ionização de uma substância para cada pH usando a equação de Henderson-Hasselbach.

 

Para poeiras e aerossóis inalados, o tamanho, a forma, a área superficial e a densidade das partículas também influenciam sua toxicocinética e toxicodinâmica.

Estrutura e Propriedades das Membranas

A célula eucariótica de organismos humanos e animais é envolvida por uma membrana citoplasmática que regula o transporte de substâncias e mantém a homeostase celular. As organelas celulares (núcleo, mitocôndrias) também possuem membranas. O citoplasma celular é compartimentalizado por intrincadas estruturas membranosas, o retículo endoplasmático e o complexo de Golgi (endomembranas). Todas essas membranas são estruturalmente semelhantes, mas variam no conteúdo de lipídios e proteínas.

A estrutura estrutural das membranas é uma bicamada de moléculas lipídicas (fosfolipídios, esfingolipídios, colesterol). A espinha dorsal de uma molécula fosfolipídica é o glicerol com dois de seus grupos -OH esterificados por ácidos graxos alifáticos com 16 a 18 átomos de carbono, e o terceiro grupo esterificado por um grupo fosfato e um composto nitrogenado (colina, etanolamina, serina). Nos esfingolipídios, a esfingosina é a base.

A molécula lipídica é anfipática porque consiste em uma “cabeça” hidrofílica polar (aminoálcool, fosfato, glicerol) e uma “cauda” gêmea apolar (ácidos graxos). A bicamada lipídica é organizada de modo que as cabeças hidrofílicas constituam a superfície externa e interna da membrana e as caudas lipofílicas sejam esticadas em direção ao interior da membrana, que contém água, vários íons e moléculas.

Proteínas e glicoproteínas estão inseridas na bicamada lipídica (proteínas intrínsecas) ou ligadas à superfície da membrana (proteínas extrínsecas). Essas proteínas contribuem para a integridade estrutural da membrana, mas também podem atuar como enzimas, transportadores, paredes dos poros ou receptores.

A membrana representa uma estrutura dinâmica que pode ser desintegrada e reconstruída com diferentes proporções de lipídios e proteínas, de acordo com as necessidades funcionais.

A regulação do transporte de substâncias para dentro e para fora da célula representa uma das funções básicas das membranas externa e interna.

Algumas moléculas lipofílicas passam diretamente pela bicamada lipídica. Moléculas e íons hidrofílicos são transportados através dos poros. As membranas respondem a condições variáveis ​​abrindo ou selando certos poros de vários tamanhos.

Os seguintes processos e mecanismos estão envolvidos no transporte de substâncias, incluindo substâncias tóxicas, através de membranas:

  • difusão através da bicamada lipídica
  • difusão através dos poros
  • transporte por um transportador (difusão facilitada).

 

Processos ativos:

  • transporte ativo por uma transportadora
  • endocitose (pinocitose).

 

Distribuição

Isso representa o movimento de moléculas e íons através da bicamada lipídica ou poros de uma região de alta concentração, ou alto potencial elétrico, para uma região de baixa concentração ou potencial (“downhill”). A diferença de concentração ou carga elétrica é a força motriz que influencia a intensidade do fluxo em ambas as direções. No estado de equilíbrio, o influxo será igual ao efluxo. A taxa de difusão segue a lei de Ficke, afirmando que é diretamente proporcional à superfície disponível da membrana, diferença no gradiente de concentração (carga) e coeficiente de difusão característico e inversamente proporcional à espessura da membrana.

Pequenas moléculas lipofílicas passam facilmente através da camada lipídica da membrana, de acordo com o coeficiente de partição de Nernst.

Grandes moléculas lipofílicas, moléculas solúveis em água e íons usarão canais de poros aquosos para sua passagem. O tamanho e a estereoconfiguração influenciarão a passagem das moléculas. Para íons, além do tamanho, o tipo de carga será decisivo. As moléculas de proteína das paredes dos poros podem ganhar carga positiva ou negativa. Os poros estreitos tendem a ser seletivos - ligantes carregados negativamente permitirão a passagem apenas de cátions, e ligantes carregados positivamente permitirão a passagem apenas de ânions. Com o aumento do diâmetro dos poros, o fluxo hidrodinâmico é dominante, permitindo a livre passagem de íons e moléculas, de acordo com a lei de Poiseuille. Esta filtração é consequência do gradiente osmótico. Em alguns casos, os íons podem penetrar através de moléculas complexas específicas—ionóforos—que podem ser produzidas por microrganismos com efeitos antibióticos (nonactina, valinomicina, gramacidina, etc.).

Difusão facilitada ou catalisada

Isso requer a presença de um transportador na membrana, geralmente uma molécula de proteína (permease). O carreador liga seletivamente as substâncias, assemelhando-se a um complexo substrato-enzima. Moléculas semelhantes (incluindo substâncias tóxicas) podem competir pelo carreador específico até que seu ponto de saturação seja atingido. Os tóxicos podem competir pelo transportador e, quando estão irreversivelmente ligados a ele, o transporte é bloqueado. A taxa de transporte é característica para cada tipo de transportadora. Se o transporte é realizado em ambas as direções, é chamado de difusão de troca.

Transporte Ativo

Para o transporte de algumas substâncias vitais para a célula, é utilizado um tipo especial de carreador, transportando contra o gradiente de concentração ou potencial elétrico (“subida”). O transportador é muito estereoespecífico e pode ser saturado.

Para o transporte em subidas, é necessária energia. A energia necessária é obtida pela clivagem catalítica das moléculas de ATP em ADP pela enzima adenosina trifosfatase (ATP-ase).

Os tóxicos podem interferir com este transporte por inibição competitiva ou não competitiva do transportador ou por inibição da atividade da ATP-ase.

Endocitose

Endocitose é definido como um mecanismo de transporte no qual a membrana celular envolve o material envolvendo-o para formar uma vesícula que o transporta através da célula. Quando o material é líquido, o processo é denominado pinocitose. Em alguns casos o material está ligado a um receptor e este complexo é transportado por uma vesícula de membrana. Este tipo de transporte é especialmente utilizado por células epiteliais do trato gastrointestinal e células do fígado e rins.

Absorção de Tóxicos

As pessoas estão expostas a inúmeros tóxicos presentes no ambiente de trabalho e de vida, que podem penetrar no organismo humano por três principais portais de entrada:

  • através do trato respiratório por inalação de ar poluído
  • via trato gastrointestinal pela ingestão de alimentos, água e bebidas contaminados
  • através da pele por penetração dérmica e cutânea.

 

No caso da exposição na indústria, a inalação representa a via dominante de entrada de tóxicos, seguida pela penetração dérmica. Na agricultura, a exposição a pesticidas por absorção dérmica é quase igual a casos de inalação e penetração dérmica combinadas. A população em geral é exposta principalmente pela ingestão de alimentos, água e bebidas contaminados, depois por inalação e, menos frequentemente, por penetração dérmica.

Absorção pelas vias respiratórias

A absorção nos pulmões representa a principal via de absorção de numerosos tóxicos transportados pelo ar (gases, vapores, fumos, névoas, fumos, poeiras, aerossóis, etc.).

O trato respiratório (RT) representa um sistema de troca gasosa ideal que possui uma membrana com uma superfície de 30m2 (expiração) a 100m2 (inspiração profunda), atrás da qual se localiza uma rede de cerca de 2,000km de capilares. O sistema, desenvolvido ao longo da evolução, acomoda-se em um espaço relativamente pequeno (cavidade torácica) protegido por costelas.

Anatômica e fisiologicamente, o TR pode ser dividido em três compartimentos:

  • a parte superior do RT, ou nasofaríngeo (NP), iniciando-se nas narinas e estendendo-se até a faringe e laringe; esta parte serve como um sistema de ar condicionado
  • a árvore traqueobrônquica (TB), englobando numerosos tubos de vários tamanhos, que levam o ar aos pulmões
  • o compartimento pulmonar (P), que consiste em milhões de alvéolos (sacos aéreos) arranjados em aglomerados semelhantes a uvas.

 

Os tóxicos hidrofílicos são facilmente absorvidos pelo epitélio da região nasofaríngea. Todo o epitélio das regiões NP e TB é coberto por uma película de água. Os tóxicos lipofílicos são parcialmente absorvidos no NP e TB, mas principalmente nos alvéolos por difusão através das membranas alvéolo-capilares. A taxa de absorção depende da ventilação pulmonar, débito cardíaco (fluxo sanguíneo através dos pulmões), solubilidade do tóxico no sangue e sua taxa metabólica.

Nos alvéolos, ocorre a troca gasosa. A parede alveolar é composta por um epitélio, uma estrutura intersticial de membrana basal, tecido conjuntivo e endotélio capilar. A difusão de tóxicos é muito rápida através dessas camadas, que têm uma espessura de cerca de 0.8 μm. Nos alvéolos, o tóxico é transferido da fase aérea para a fase líquida (sangue). A taxa de absorção (distribuição do ar para o sangue) de um tóxico depende de sua concentração no ar alveolar e do coeficiente de partição de Nernst para o sangue (coeficiente de solubilidade).

No sangue, o tóxico pode ser dissolvido na fase líquida por processos físicos simples ou ligado às células sanguíneas e/ou constituintes do plasma de acordo com a afinidade química ou por adsorção. O teor de água do sangue é de 75% e, portanto, gases e vapores hidrofílicos apresentam alta solubilidade no plasma (por exemplo, álcoois). Tóxicos lipofílicos (por exemplo, benzeno) são geralmente ligados a células ou macromoléculas, como albumina.

Desde o início da exposição nos pulmões, ocorrem dois processos opostos: absorção e dessorção. O equilíbrio entre esses processos depende da concentração do tóxico no ar alveolar e no sangue. No início da exposição, a concentração do tóxico no sangue é 0 e a retenção no sangue é quase 100%. Com a continuação da exposição, um equilíbrio entre absorção e dessorção é alcançado. Os tóxicos hidrofílicos atingirão rapidamente o equilíbrio e a taxa de absorção depende da ventilação pulmonar e não do fluxo sanguíneo. Tóxicos lipofílicos precisam de mais tempo para atingir o equilíbrio, e aqui o fluxo de sangue insaturado governa a taxa de absorção.

A deposição de partículas e aerossóis na RT depende de fatores físicos e fisiológicos, bem como do tamanho das partículas. Em suma, quanto menor a partícula, mais profundamente ela penetrará no RT.

Retenção relativamente baixa e constante de partículas de poeira nos pulmões de pessoas altamente expostas (por exemplo, mineiros) sugere a existência de um sistema muito eficiente para a remoção de partículas. Na parte superior da RT (traqueobrônquica) uma manta mucociliar realiza a depuração. Na parte pulmonar, três mecanismos diferentes estão em ação: (1) cobertura mucociliar, (2) fagocitose e (3) penetração direta de partículas através da parede alveolar.

As primeiras 17 das 23 ramificações da árvore traqueobrônquica possuem células epiteliais ciliadas. Por meio de seus golpes, esses cílios movem constantemente um cobertor mucoso em direção à boca. As partículas depositadas nesta manta mucociliar serão deglutidas na boca (ingestão). Uma manta mucosa também cobre a superfície do epitélio alveolar, movendo-se em direção à manta mucociliar. Além disso, as células móveis especializadas - fagócitos - englobam partículas e microrganismos nos alvéolos e migram em duas direções possíveis:

  • em direção à manta mucociliar, que os transporta até a boca
  • pelos espaços intercelulares da parede alveolar até o sistema linfático dos pulmões; também as partículas podem penetrar diretamente por esta rota.

 

Absorção pelo trato gastrointestinal

Os tóxicos podem ser ingeridos no caso de ingestão acidental, ingestão de alimentos e bebidas contaminados ou ingestão de partículas eliminadas do RT.

Todo o canal alimentar, do esôfago ao ânus, é construído basicamente da mesma maneira. Uma camada mucosa (epitélio) é sustentada por tecido conjuntivo e depois por uma rede de capilares e músculo liso. O epitélio superficial do estômago é muito enrugado para aumentar a área de superfície de absorção/secreção. A área intestinal contém numerosas pequenas projeções (vilosidades), que são capazes de absorver material por “bombeamento”. A área ativa para absorção no intestino é de cerca de 100m2.

No trato gastrointestinal (GIT) todos os processos de absorção são muito ativos:

  •  transporte transcelular por difusão através da camada lipídica e/ou poros das membranas celulares, bem como filtração dos poros
  •  difusão paracelular através de junções entre as células
  •  difusão facilitada e transporte ativo
  •  endocitose e o mecanismo de bombeamento das vilosidades.

 

Alguns íons metálicos tóxicos usam sistemas de transporte especializados para elementos essenciais: tálio, cobalto e manganês usam o sistema de ferro, enquanto o chumbo parece usar o sistema de cálcio.

Muitos fatores influenciam a taxa de absorção de substâncias tóxicas em várias partes do TGI:

  • propriedades físico-químicas de tóxicos, especialmente o coeficiente de partição de Nernst e a constante de dissociação; para partículas, o tamanho da partícula é importante - quanto menor o tamanho, maior a solubilidade
  • quantidade de alimento presente no TGI (efeito diluidor)
  • tempo de residência em cada parte do TGI (de alguns minutos na boca a uma hora no estômago a muitas horas nos intestinos
  • a área de absorção e a capacidade de absorção do epitélio
  • pH local, que governa a absorção de substâncias tóxicas dissociadas; no pH ácido do estômago, os compostos ácidos não dissociados serão absorvidos mais rapidamente
  • peristaltismo (movimento dos intestinos pelos músculos) e fluxo sanguíneo local
  • as secreções gástricas e intestinais transformam os tóxicos em produtos mais ou menos solúveis; a bile é um agente emulsificante que produz complexos mais solúveis (hidrotrofia)
  • exposição combinada a outros tóxicos, que podem produzir efeitos sinérgicos ou antagônicos nos processos de absorção
  • presença de agentes complexantes/quelantes
  • a ação da microflora do RT (cerca de 1.5kg), cerca de 60 espécies bacterianas diferentes que podem realizar a biotransformação de tóxicos.

 

Também é necessário mencionar a circulação entero-hepática. Tóxicos polares e/ou metabólitos (glucuronídeos e outros conjugados) são excretados com a bile no duodeno. Aqui as enzimas da microflora realizam a hidrólise e os produtos liberados podem ser reabsorvidos e transportados pela veia porta para o fígado. Este mecanismo é muito perigoso no caso de substâncias hepatotóxicas, permitindo o seu acúmulo temporário no fígado.

No caso de substâncias tóxicas biotransformadas no fígado em metabólitos menos tóxicos ou não tóxicos, a ingestão pode representar uma porta de entrada menos perigosa. Após a absorção no TGI, esses tóxicos serão transportados pela veia porta até o fígado, onde poderão ser parcialmente desintoxicados por biotransformação.

Absorção pela pele (dérmica, percutânea)

A pele (1.8 m2 de superfície em um adulto humano) juntamente com as membranas mucosas dos orifícios do corpo, cobre a superfície do corpo. Representa uma barreira contra agentes físicos, químicos e biológicos, mantendo a integridade e a homeostase do corpo e realizando muitas outras tarefas fisiológicas.

Basicamente a pele é constituída por três camadas: epiderme, pele verdadeira (derme) e tecido subcutâneo (hipoderme). Do ponto de vista toxicológico, a epiderme é de maior interesse aqui. É construído de muitas camadas de células. Uma superfície córnea de células mortas achatadas (estrato córneo) é a camada superior, sob a qual está localizada uma camada contínua de células vivas (estrato córneo compacto), seguida por uma membrana lipídica típica e, em seguida, pelo estrato lúcido, estrato gramulosum e estrato mucoso. A membrana lipídica representa uma barreira protetora, mas nas partes pilosas da pele, tanto os folículos pilosos quanto os canais das glândulas sudoríparas penetram através dela. Portanto, a absorção dérmica pode ocorrer pelos seguintes mecanismos:

  • absorção transepidérmica por difusão através da membrana lipídica (barreira), principalmente por substâncias lipofílicas (solventes orgânicos, pesticidas, etc.) e em pequena extensão por algumas substâncias hidrofílicas através dos poros
  • absorção transfolicular ao redor do caule do cabelo no folículo piloso, contornando a barreira da membrana; esta absorção ocorre apenas em áreas pilosas da pele
  • absorção através dos ductos das glândulas sudoríparas, que têm uma área de seção transversal de cerca de 0.1 a 1% da área total da pele (a absorção relativa é nessa proporção)
  • absorção pela pele quando ferida mecanicamente, termicamente, quimicamente ou por doenças de pele; aqui as camadas da pele, incluindo a barreira lipídica, são rompidas e o caminho está aberto para a entrada de tóxicos e agentes nocivos.

 

A taxa de absorção pela pele dependerá de muitos fatores:

  • concentração do tóxico, tipo de veículo (meio), presença de outras substâncias
  • teor de água da pele, pH, temperatura, fluxo sanguíneo local, transpiração, área superficial da pele contaminada, espessura da pele
  • características anatômicas e fisiológicas da pele devido ao sexo, idade, variações individuais, diferenças que ocorrem em vários grupos étnicos e raças, etc.

Transporte de tóxicos pelo sangue e pela linfa

Após a absorção por qualquer um desses portais de entrada, os tóxicos atingirão o sangue, a linfa ou outros fluidos corporais. O sangue representa o principal veículo de transporte de substâncias tóxicas e seus metabólitos.

O sangue é um órgão circulante fluido, transportando oxigênio necessário e substâncias vitais para as células e removendo os produtos residuais do metabolismo. O sangue também contém componentes celulares, hormônios e outras moléculas envolvidas em muitas funções fisiológicas. O sangue flui dentro de um sistema circulatório de vasos sanguíneos relativamente bem fechado e de alta pressão, impulsionado pela atividade do coração. Devido à alta pressão, ocorre vazamento de fluido. O sistema linfático representa o sistema de drenagem, na forma de uma malha fina de pequenos capilares linfáticos de paredes finas que se ramificam pelos tecidos moles e órgãos.

O sangue é uma mistura de uma fase líquida (plasma, 55%) e células sanguíneas sólidas (45%). O plasma contém proteínas (albuminas, globulinas, fibrinogênio), ácidos orgânicos (láctico, glutâmico, cítrico) e muitas outras substâncias (lipídios, lipoproteínas, glicoproteínas, enzimas, sais, xenobióticos, etc.). Os elementos das células sanguíneas incluem eritrócitos (Er), leucócitos, reticulócitos, monócitos e plaquetas.

Os tóxicos são absorvidos como moléculas e íons. Alguns tóxicos no pH do sangue formam partículas colóides como uma terceira forma neste líquido. Moléculas, íons e colóides de tóxicos têm várias possibilidades de transporte no sangue:

  •  estar fisicamente ou quimicamente ligado aos elementos do sangue, principalmente Er
  •  para ser fisicamente dissolvido no plasma em um estado livre
  •  estar ligado a um ou mais tipos de proteínas plasmáticas, complexado com os ácidos orgânicos ou ligado a outras frações do plasma.

 

A maioria das substâncias tóxicas no sangue existe parcialmente no estado livre no plasma e parcialmente ligada aos eritrócitos e constituintes do plasma. A distribuição depende da afinidade dos tóxicos para esses constituintes. Todas as frações estão em equilíbrio dinâmico.

Alguns tóxicos são transportados pelos elementos do sangue - principalmente pelos eritrócitos, muito raramente pelos leucócitos. Os tóxicos podem ser adsorvidos na superfície do Er, ou podem se ligar aos ligantes do estroma. Se penetrarem no Er, podem ligar-se ao heme (por exemplo, monóxido de carbono e selénio) ou à globina (Sb111, Pedaço210). Alguns tóxicos transportados pelo Er são arsênico, césio, tório, radônio, chumbo e sódio. O cromo hexavalente liga-se exclusivamente ao Er e o cromo trivalente às proteínas do plasma. Para o zinco, ocorre a competição entre o Er e o plasma. Cerca de 96% do chumbo é transportado pelo Er. O mercúrio orgânico está principalmente ligado ao Er e o mercúrio inorgânico é carregado principalmente pela albumina plasmática. Pequenas frações de berílio, cobre, telúrio e urânio são transportadas pelo Er.

A maioria dos tóxicos é transportada pelo plasma ou pelas proteínas plasmáticas. Muitos eletrólitos estão presentes como íons em equilíbrio com moléculas não dissociadas livres ou ligadas às frações do plasma. Esta fração iônica de tóxicos é muito difusível, penetrando através das paredes dos capilares nos tecidos e órgãos. Gases e vapores podem ser dissolvidos no plasma.

As proteínas plasmáticas possuem uma área de superfície total de cerca de 600 a 800 km2 oferecidos para a absorção de tóxicos. As moléculas de albumina possuem cerca de 109 ligantes catiônicos e 120 aniônicos à disposição dos íons. Muitos íons são parcialmente transportados pela albumina (por exemplo, cobre, zinco e cádmio), assim como compostos como dinitro e ortocresóis, derivados nitro e halogenados de hidrocarbonetos aromáticos e fenóis.

As moléculas de globulina (alfa e beta) transportam pequenas moléculas de substâncias tóxicas, bem como alguns íons metálicos (cobre, zinco e ferro) e partículas colóides. O fibrinogênio mostra afinidade por certas moléculas pequenas. Muitos tipos de ligações podem estar envolvidas na ligação de substâncias tóxicas às proteínas plasmáticas: forças de Van der Waals, atração de cargas, associação entre grupos polares e apolares, pontes de hidrogênio, ligações covalentes.

As lipoproteínas plasmáticas transportam substâncias tóxicas lipofílicas, como os PCBs. As outras frações do plasma também servem como veículo de transporte. A afinidade dos tóxicos pelas proteínas plasmáticas sugere sua afinidade pelas proteínas dos tecidos e órgãos durante a distribuição.

Os ácidos orgânicos (láctico, glutamínico, cítrico) formam complexos com alguns tóxicos. Terras alcalinas e terras raras, bem como alguns elementos pesados ​​na forma de cátions, também são complexados com oxi e aminoácidos orgânicos. Todos esses complexos são geralmente difusíveis e facilmente distribuídos nos tecidos e órgãos.

Agentes quelantes fisiologicamente no plasma, como transferrina e metalotioneína, competem com ácidos orgânicos e aminoácidos por cátions para formar quelatos estáveis.

Os íons livres difusíveis, alguns complexos e algumas moléculas livres são facilmente eliminados do sangue para os tecidos e órgãos. A fração livre de íons e moléculas está em equilíbrio dinâmico com a fração ligada. A concentração de um tóxico no sangue governará a taxa de sua distribuição nos tecidos e órgãos, ou sua mobilização deles para o sangue.

Distribuição de Tóxicos no Organismo

O organismo humano pode ser dividido nas seguintes compartimentos. (1) órgãos internos, (2) pele e músculos, (3) tecidos adiposos, (4) tecido conjuntivo e ossos. Essa classificação é baseada principalmente no grau de perfusão vascular (sangue) em ordem decrescente. Por exemplo, os órgãos internos (incluindo o cérebro), que representam apenas 12% do peso corporal total, recebem cerca de 75% do volume total de sangue. Por outro lado, tecidos conjuntivos e ossos (15% do peso corporal total) recebem apenas um por cento do volume total de sangue.

Os órgãos internos bem perfundidos geralmente atingem a maior concentração de tóxicos no menor tempo, bem como um equilíbrio entre o sangue e este compartimento. A absorção de tóxicos por tecidos menos perfundidos é muito mais lenta, mas a retenção é maior e a duração da permanência muito mais longa (acumulação) devido à baixa perfusão.

Três componentes são de grande importância para a distribuição intracelular de tóxicos: conteúdo de água, lipídios e proteínas nas células de vários tecidos e órgãos. A ordem dos compartimentos acima mencionada também segue de perto um teor de água decrescente em suas células. Os tóxicos hidrofílicos serão distribuídos mais rapidamente para os fluidos corporais e células com alto teor de água, e os tóxicos lipofílicos para as células com maior teor de lipídios (tecido adiposo).

O organismo possui algumas barreiras que dificultam a penetração de alguns grupos de tóxicos, principalmente hidrofílicos, em determinados órgãos e tecidos, tais como:

  • a barreira hematoencefálica (barreira cerebrospinal), que restringe a penetração de grandes moléculas e substâncias tóxicas hidrofílicas no cérebro e no SNC; esta barreira consiste em uma camada estreitamente unida de células endoteliais; assim, tóxicos lipofílicos podem penetrar através dele
  • a barreira placentária, que tem um efeito semelhante na penetração de tóxicos no feto a partir do sangue da mãe
  • a barreira histo-hematológica nas paredes dos capilares, que é permeável para moléculas de tamanho pequeno e intermediário, e para algumas moléculas maiores, bem como íons.

 

Como observado anteriormente, apenas as formas livres de substâncias tóxicas no plasma (moléculas, íons, colóides) estão disponíveis para penetração através das paredes capilares que participam da distribuição. Esta fração livre está em equilíbrio dinâmico com a fração ligada. A concentração de substâncias tóxicas no sangue está em equilíbrio dinâmico com sua concentração em órgãos e tecidos, governando a retenção (acumulação) ou a mobilização a partir deles.

A condição do organismo, o estado funcional dos órgãos (especialmente a regulação neuro-humoral), o equilíbrio hormonal e outros fatores desempenham um papel na distribuição.

A retenção do tóxico em um determinado compartimento é geralmente temporária e pode ocorrer redistribuição para outros tecidos. A retenção e acumulação baseiam-se na diferença entre as taxas de absorção e eliminação. A duração da retenção em um compartimento é expressa pela meia-vida biológica. Este é o intervalo de tempo em que 50% do tóxico é eliminado do tecido ou órgão e redistribuído, translocado ou eliminado do organismo.

Os processos de biotransformação ocorrem durante a distribuição e retenção em vários órgãos e tecidos. A biotransformação produz metabólitos mais polares, mais hidrofílicos, que são mais facilmente eliminados. Uma baixa taxa de biotransformação de um tóxico lipofílico geralmente causará seu acúmulo em um compartimento.

Os tóxicos podem ser divididos em quatro grupos principais de acordo com sua afinidade, retenção predominante e acúmulo em um determinado compartimento:

  1. Os tóxicos solúveis nos fluidos corporais são distribuídos uniformemente de acordo com o conteúdo de água dos compartimentos. Muitos cátions monovalentes (por exemplo, lítio, sódio, potássio, rubídio) e alguns ânions (por exemplo, cloro, bromo) são distribuídos de acordo com esse padrão.
  2. Tóxicos lipofílicos mostram uma alta afinidade por órgãos ricos em lipídios (SNC) e tecidos (gordos, adiposos).
  3. Os tóxicos que formam partículas colóides são então capturados por células especializadas do sistema reticuloendotelial (SRE) de órgãos e tecidos. Cátions tri e quadrivalentes (lantânio, césio, háfnio) são distribuídos no SRE de tecidos e órgãos.
  4. Os tóxicos que apresentam uma alta afinidade por ossos e tecido conjuntivo (elementos osteotrópicos, buscadores de ossos) incluem cátions divalentes (por exemplo, cálcio, bário, estrôncio, radônio, berílio, alumínio, cádmio, chumbo).

 

Acúmulo em tecidos ricos em lipídios

O “homem padrão” de 70kg de peso corporal contém cerca de 15% do peso corporal na forma de tecido adiposo, aumentando com a obesidade para 50%. No entanto, esta fração lipídica não é uniformemente distribuída. O cérebro (SNC) é um órgão rico em lipídios, e os nervos periféricos são envoltos por uma bainha de mielina rica em lipídios e células de Schwann. Todos esses tecidos oferecem possibilidades de acúmulo de substâncias tóxicas lipofílicas.

Numerosos não eletrólitos e tóxicos não polares com um coeficiente de partição de Nernst adequado serão distribuídos para este compartimento, bem como numerosos solventes orgânicos (álcoois, aldeídos, cetonas, etc.), hidrocarbonetos clorados (incluindo inseticidas organoclorados como DDT), alguns gases inertes (radon), etc.

O tecido adiposo acumulará substâncias tóxicas devido à sua baixa vascularização e menor taxa de biotransformação. Aqui o acúmulo de substâncias tóxicas pode representar uma espécie de “neutralização” temporária devido à falta de alvos para o efeito tóxico. No entanto, o perigo potencial para o organismo está sempre presente devido à possibilidade de mobilização de tóxicos deste compartimento de volta para a circulação.

A deposição de substâncias tóxicas no cérebro (SNC) ou tecido rico em lipídios da bainha de mielina do sistema nervoso periférico é muito perigosa. Os neurotóxicos são depositados aqui diretamente ao lado de seus alvos. Os tóxicos retidos no tecido rico em lipídios das glândulas endócrinas podem produzir distúrbios hormonais. Apesar da barreira hematoencefálica, numerosos neurotóxicos de natureza lipofílica atingem o cérebro (SNC): anestésicos, solventes orgânicos, pesticidas, chumbo tetraetílico, organomercuriais, etc.

Retenção no sistema reticuloendotelial

Em cada tecido e órgão, uma certa porcentagem de células é especializada para atividade fagocítica, englobando microrganismos, partículas, partículas colóides e assim por diante. Este sistema é chamado de sistema reticuloendotelial (SRE), compreendendo células fixas, bem como células móveis (fagócitos). Estas células estão presentes na forma não ativa. Um aumento dos micróbios e partículas acima mencionados ativará as células até um ponto de saturação.

Os tóxicos na forma de colóides serão capturados pelo SRE de órgãos e tecidos. A distribuição depende do tamanho da partícula coloidal. Para partículas maiores, a retenção no fígado será favorecida. Com partículas colóides menores, ocorrerá uma distribuição mais ou menos uniforme entre o baço, a medula óssea e o fígado. A eliminação de colóides do RES é muito lenta, embora pequenas partículas sejam eliminadas relativamente mais rapidamente.

Acumulação nos ossos

Cerca de 60 elementos podem ser identificados como elementos osteotrópicos ou buscadores de ossos.

Os elementos osteotrópicos podem ser divididos em três grupos:

  1. Elementos que representam ou substituem os constituintes fisiológicos do osso. Vinte desses elementos estão presentes em quantidades maiores. Os outros aparecem em quantidades vestigiais. Sob condições de exposição crônica, metais tóxicos como chumbo, alumínio e mercúrio também podem entrar na matriz mineral das células ósseas.
  2. Terras alcalinas e outros elementos formando cátions com um diâmetro iônico semelhante ao do cálcio são permutáveis ​​com ele no mineral ósseo. Além disso, alguns ânions são permutáveis ​​com ânions (fosfato, hidroxila) do mineral ósseo.
  3. Elementos formando microcolóides (terras raras) podem ser adsorvidos na superfície do mineral ósseo.

 

O esqueleto de um homem padrão é responsável por 10 a 15% do peso corporal total, representando um grande depósito potencial de armazenamento de tóxicos osteotrópicos. O osso é um tecido altamente especializado que consiste em volume de 54% de minerais e 38% de matriz orgânica. A matriz mineral do osso é a hidroxiapatita, Ca10(PO4)6(OH)2 , em que a proporção de Ca para P é de cerca de 1.5 para um. A área de superfície de mineral disponível para adsorção é de cerca de 100m2 por g de osso.

A atividade metabólica dos ossos do esqueleto pode ser dividida em duas categorias:

  • osso metabólico ativo, no qual os processos de reabsorção e formação de osso novo, ou remodelação do osso existente, são muito extensos
  • osso estável com baixa taxa de remodelação ou crescimento.

 

No feto, o osso metabólico de bebês e crianças pequenas (ver “esqueleto disponível”) representa quase 100% do esqueleto. Com a idade, essa porcentagem de osso metabólico diminui. A incorporação de substâncias tóxicas durante a exposição aparece no osso metabólico e em compartimentos de rotação mais lenta.

A incorporação de substâncias tóxicas no osso ocorre de duas maneiras:

  1. Para íons, ocorre uma troca iônica com cátions de cálcio fisiologicamente presentes, ou ânions (fosfato, hidroxila).
  2. Para substâncias tóxicas que formam partículas colóides, ocorre adsorção na superfície do mineral.

 

Reações de troca iônica

O mineral ósseo, hidroxiapatita, representa um complexo sistema de troca iônica. Os cátions de cálcio podem ser trocados por vários cátions. Os ânions presentes no osso também podem ser trocados por ânions: fosfato com citratos e carbonatos, hidroxila com flúor. Os íons que não são permutáveis ​​podem ser adsorvidos na superfície do mineral. Quando os íons tóxicos são incorporados ao mineral, uma nova camada de mineral pode cobrir a superfície do mineral, enterrando o tóxico na estrutura óssea. A troca iônica é um processo reversível, dependendo da concentração de íons, pH e volume do fluido. Assim, por exemplo, um aumento de cálcio dietético pode diminuir a deposição de íons tóxicos na rede de minerais. Foi mencionado que com a idade a porcentagem de osso metabólico diminui, embora a troca iônica continue. Com o envelhecimento, ocorre a reabsorção mineral óssea, na qual a densidade óssea realmente diminui. Nesse ponto, substâncias tóxicas no osso podem ser liberadas (por exemplo, chumbo).

Cerca de 30% dos íons incorporados aos minerais ósseos são frouxamente ligados e podem ser trocados, capturados por agentes quelantes naturais e excretados, com meia-vida biológica de 15 dias. Os outros 70% são mais firmemente ligados. A mobilização e excreção desta fração apresenta uma meia-vida biológica de 2.5 anos ou mais, dependendo do tipo de osso (processos de remodelação).

Agentes quelantes (Ca-EDTA, penicilamina, BAL, etc.) podem mobilizar quantidades consideráveis ​​de alguns metais pesados, e sua excreção na urina é muito aumentada.

Adsorção coloidal

Partículas colóides são adsorvidas como um filme na superfície mineral (100m2 por g) por forças de Van der Waals ou quimissorção. Esta camada de colóides nas superfícies minerais é coberta com a próxima camada de minerais formados, e os tóxicos são mais enterrados na estrutura óssea. A taxa de mobilização e eliminação depende dos processos de remodelação.

Acumulação em cabelos e unhas

O cabelo e as unhas contêm queratina, com grupos sulfidrila capazes de quelar cátions metálicos como mercúrio e chumbo.

Distribuição do tóxico dentro da célula

Recentemente, a distribuição de substâncias tóxicas, especialmente alguns metais pesados, dentro das células de tecidos e órgãos tornou-se importante. Com técnicas de ultracentrifugação, várias frações da célula podem ser separadas para determinar seu conteúdo de íons metálicos e outros tóxicos.

Estudos em animais revelaram que, após a penetração na célula, alguns íons metálicos se ligam a uma proteína específica, a metalotioneína. Esta proteína de baixo peso molecular está presente nas células do fígado, rins e outros órgãos e tecidos. Seus grupos sulfidrila podem ligar seis íons por molécula. O aumento da presença de íons metálicos induz a biossíntese dessa proteína. Os íons de cádmio são o indutor mais potente. A metalotioneína também serve para manter a homeostase dos íons vitais de cobre e zinco. A metalotioneína pode ligar zinco, cobre, cádmio, mercúrio, bismuto, ouro, cobalto e outros cátions.

Biotransformação e Eliminação de Tóxicos

Durante a retenção em células de vários tecidos e órgãos, os tóxicos são expostos a enzimas que podem biotransformá-los (metabolizá-los), produzindo metabólitos. Existem muitas vias para a eliminação de substâncias tóxicas e/ou metabólitos: pelo ar exalado pelos pulmões, pela urina pelos rins, pela bile pelo TGI, pelo suor pela pele, pela saliva pela mucosa da boca, pelo leite pelas vias glândulas mamárias, e pelos cabelos e unhas através do crescimento normal e renovação celular.

A eliminação de um tóxico absorvido depende da porta de entrada. Nos pulmões, o processo de absorção/dessorção começa imediatamente e os tóxicos são parcialmente eliminados pelo ar expirado. A eliminação dos tóxicos absorvidos por outras vias de entrada é prolongada e inicia-se após o transporte pelo sangue, sendo finalmente concluída após a distribuição e biotransformação. Durante a absorção existe um equilíbrio entre as concentrações de um tóxico no sangue e nos tecidos e órgãos. A excreção diminui a concentração do tóxico no sangue e pode induzir a mobilização de um tóxico dos tecidos para o sangue.

Muitos fatores podem influenciar a taxa de eliminação de substâncias tóxicas e seus metabólitos do corpo:

  • propriedades físico-químicas de tóxicos, especialmente o coeficiente de partição de Nernst (P), constante de dissociação (pKa), polaridade, estrutura molecular, forma e peso
  • nível de exposição e tempo de eliminação pós-exposição
  • portal de entrada
  • distribuição nos compartimentos do corpo, que diferem na taxa de troca com o sangue e na perfusão sanguínea
  • taxa de biotransformação de substâncias tóxicas lipofílicas em metabólitos mais hidrofílicos
  • condição geral de saúde do organismo e, principalmente, dos órgãos excretores (pulmões, rins, TGI, pele, etc.)
  • presença de outros tóxicos que podem interferir na eliminação.

 

Aqui distinguimos dois grupos de compartimentos: (1) o sistema de troca rápida— nesses compartimentos, a concentração tissular do tóxico é semelhante à do sangue; e (2) o sistema de câmbio lento, onde a concentração tecidual de tóxico é maior do que no sangue devido à ligação e acúmulo - tecido adiposo, esqueleto e rins podem reter temporariamente alguns tóxicos, por exemplo, arsênico e zinco.

Um tóxico pode ser excretado simultaneamente por duas ou mais vias de excreção. No entanto, geralmente uma rota é dominante.

Os cientistas estão desenvolvendo modelos matemáticos que descrevem a excreção de um determinado tóxico. Esses modelos são baseados no movimento de um ou ambos os compartimentos (sistemas de troca), biotransformação e assim por diante.

Eliminação pelo ar exalado pelos pulmões

A eliminação pelos pulmões (dessorção) é típica para substâncias tóxicas com alta volatilidade (por exemplo, solventes orgânicos). Gases e vapores com baixa solubilidade no sangue serão rapidamente eliminados desta forma, enquanto tóxicos com alta solubilidade no sangue serão eliminados por outras vias.

Solventes orgânicos absorvidos pelo TGI ou pela pele são excretados parcialmente pelo ar expirado em cada passagem de sangue pelos pulmões, se tiverem pressão de vapor suficiente. O teste do bafômetro usado para motoristas suspeitos de embriaguez é baseado nesse fato. A concentração de CO no ar exalado está em equilíbrio com o teor de CO-Hb no sangue. O gás radônio radioativo aparece no ar exalado devido ao decaimento do rádio acumulado no esqueleto.

A eliminação de um tóxico pelo ar exalado em relação ao período pós-exposição geralmente é expressa por uma curva trifásica. A primeira fase representa a eliminação do tóxico do sangue, apresentando uma meia-vida curta. A segunda fase, mais lenta, representa a eliminação devido à troca de sangue com tecidos e órgãos (sistema de troca rápida). A terceira fase, muito lenta, é devida à troca de sangue com tecido adiposo e esqueleto. Se não houver acúmulo de tóxico nesses compartimentos, a curva será bifásica. Em alguns casos, uma curva de quatro fases também é possível.

A determinação de gases e vapores no ar exalado no período pós-exposição às vezes é usada para avaliação de exposições em trabalhadores.

excreção renal

O rim é um órgão especializado na excreção de inúmeros tóxicos e metabólitos hidrossolúveis, mantendo a homeostase do organismo. Cada rim possui cerca de um milhão de néfrons capazes de realizar a excreção. A excreção renal representa um evento muito complexo que engloba três mecanismos diferentes:

  • filtração glomerular pela cápsula de Bowman
  • transporte ativo no túbulo proximal
  • transporte passivo no túbulo distal.

 

A excreção de um tóxico através dos rins para a urina depende do coeficiente de partição de Nernst, constante de dissociação e pH da urina, tamanho e forma molecular, taxa de metabolismo para metabólitos mais hidrofílicos, bem como o estado de saúde dos rins.

A cinética da excreção renal de um tóxico ou seu metabólito pode ser expressa por uma curva de excreção de duas, três ou quatro fases, dependendo da distribuição do tóxico específico em vários compartimentos do corpo que diferem na taxa de troca com o sangue.

Saliva

Algumas drogas e íons metálicos podem ser excretados através da mucosa da boca pela saliva – por exemplo, chumbo (“linha de chumbo”), mercúrio, arsênico, cobre, bem como brometos, iodetos, álcool etílico, alcaloides e assim por diante. Os tóxicos são então deglutidos, chegando ao TGI, onde podem ser reabsorvidos ou eliminados pelas fezes.

Suar

Muitos não eletrólitos podem ser parcialmente eliminados através da pele pelo suor: álcool etílico, acetona, fenóis, dissulfeto de carbono e hidrocarbonetos clorados.

leite

Muitos metais, solventes orgânicos e alguns pesticidas organoclorados (DDT) são secretados pela glândula mamária no leite materno. Esta via pode representar um perigo para lactentes.

Cabelo

A análise do cabelo pode ser usada como um indicador da homeostase de algumas substâncias fisiológicas. Também a exposição a alguns tóxicos, especialmente metais pesados, pode ser avaliada por este tipo de bioensaio.

A eliminação de substâncias tóxicas do corpo pode ser aumentada por:

  • translocação mecânica via lavagem gástrica, transfusão de sangue ou diálise
  • criação de condições fisiológicas que mobilizam substâncias tóxicas pela dieta, alteração do equilíbrio hormonal, melhora da função renal pela aplicação de diuréticos
  • administração de agentes complexantes (citratos, oxalatos, salicilatos, fosfatos) ou agentes quelantes (Ca-EDTA, BAL, ATA, DMSA, penicilamina); este método é indicado apenas em pessoas sob estrito controle médico. A aplicação de agentes quelantes é frequentemente utilizada para eliminação de metais pesados ​​do corpo de trabalhadores expostos durante o tratamento médico. Este método também é usado para avaliação da carga corporal total e nível de exposição passada.

 

Determinações de exposição

A determinação de tóxicos e metabólitos no sangue, ar exalado, urina, suor, fezes e cabelo é cada vez mais utilizada para avaliação da exposição humana (testes de exposição) e/ou avaliação do grau de intoxicação. Portanto, os limites de exposição biológica (Valores MAC Biológicos, Índices de Exposição Biológica - BEI) foram estabelecidos recentemente. Esses bioensaios mostram a “exposição interna” do organismo, ou seja, a exposição total do corpo nos ambientes de trabalho e de vida por todos os portais de entrada (consulte “Métodos de teste toxicológico: Biomarcadores”).

Efeitos combinados devido à exposição múltipla

As pessoas no ambiente de trabalho e/ou de convivência geralmente são expostas simultânea ou consecutivamente a vários agentes físicos e químicos. Também é necessário levar em consideração que algumas pessoas usam medicamentos, fumam, consomem álcool e alimentos que contenham aditivos e assim por diante. Isso significa que geralmente ocorre exposição múltipla. Agentes físicos e químicos podem interagir em cada etapa dos processos toxicocinéticos e/ou toxicodinâmicos, produzindo três efeitos possíveis:

  1. Independente. Cada agente produz um efeito diferente devido a um mecanismo de ação diferente,
  2. Sinérgico. O efeito combinado é maior do que o de cada agente isolado. Aqui diferenciamos dois tipos: (a) aditivo, onde o efeito combinado é igual à soma dos efeitos produzidos por cada agente separadamente e (b) potencializador, onde o efeito combinado é maior que o aditivo.
  3. antagônico. O efeito combinado é inferior ao aditivo.

 

No entanto, estudos sobre efeitos combinados são raros. Este tipo de estudo é muito complexo devido à combinação de vários fatores e agentes.

Podemos concluir que quando o organismo humano é exposto a dois ou mais tóxicos simultânea ou consecutivamente, é necessário considerar a possibilidade de alguns efeitos combinados, que podem aumentar ou diminuir a velocidade dos processos toxicocinéticos.

 

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Segunda-feira, 20 dezembro 2010 19: 21

Órgão alvo e efeitos críticos

O objetivo prioritário da toxicologia ocupacional e ambiental é melhorar a prevenção ou limitação substancial dos efeitos à saúde da exposição a agentes perigosos nos ambientes geral e ocupacional. Para este fim, foram desenvolvidos sistemas para avaliação quantitativa de riscos relacionados a uma determinada exposição (consulte a seção “Toxicologia regulamentar”).

Os efeitos de um produto químico em sistemas e órgãos específicos estão relacionados à magnitude da exposição e se a exposição é aguda ou crônica. Tendo em vista a diversidade de efeitos tóxicos mesmo dentro de um sistema ou órgão, uma filosofia uniforme sobre o órgão crítico e o efeito crítico foi proposta para fins de avaliação de risco e desenvolvimento de limites de concentração recomendados para a saúde de substâncias tóxicas em diferentes meios ambientais .

Do ponto de vista da medicina preventiva, é de particular importância identificar efeitos adversos precoces, com base na suposição geral de que prevenir ou limitar os efeitos precoces pode impedir o desenvolvimento de efeitos mais graves à saúde.

Tal abordagem foi aplicada a metais pesados. Embora os metais pesados, como chumbo, cádmio e mercúrio, pertençam a um grupo específico de substâncias tóxicas cujo efeito crônico de atividade é dependente de seu acúmulo nos órgãos, as definições apresentadas a seguir foram publicadas pelo Grupo de Trabalho sobre Toxicidade de Metal (Nordberg 1976).

A definição de órgão crítico proposta pelo Grupo de Trabalho sobre Toxicidade de Metal foi adotada com uma pequena modificação: a palavra metal foi substituída pela expressão substância potencialmente tóxica (Duffus 1993).

Se um determinado órgão ou sistema é considerado crítico, depende não apenas da toxicomecânica do agente perigoso, mas também da rota de absorção e da população exposta.

  • Concentração crítica para uma célula: a concentração na qual ocorrem alterações funcionais adversas, reversíveis ou irreversíveis, na célula.
  • Concentração crítica de órgãos: a concentração média no órgão no momento em que o tipo mais sensível de células no órgão atinge a concentração crítica.
  • órgão crítico: aquele órgão particular que primeiro atinge a concentração crítica de metal em circunstâncias específicas de exposição e para uma determinada população.
  • efeito crítico: ponto definido na relação entre dose e efeito no indivíduo, ou seja, o ponto em que ocorre um efeito adverso na função celular do órgão crítico. Em um nível de exposição inferior ao que dá uma concentração crítica de metal no órgão crítico, podem ocorrer alguns efeitos que não prejudicam a função celular per se, mas são detectáveis ​​por meio de testes bioquímicos e outros. Tais efeitos são definidos como efeitos subcríticos.

 

O significado biológico do efeito subcrítico às vezes não é conhecido; pode significar biomarcador de exposição, índice de adaptação ou um precursor de efeito crítico (consulte “Métodos de teste toxicológico: Biomarcadores”). A última possibilidade pode ser particularmente significativa em vista das atividades profiláticas.

A Tabela 1 mostra exemplos de órgãos críticos e efeitos de diferentes produtos químicos. Na exposição ambiental crônica ao cádmio, onde a via de absorção é de menor importância (as concentrações de cádmio no ar variam de 10 a 20μg/m3 na área urbana e 1 a 2 μg/m3 nas áreas rurais), o órgão crítico é o rim. No ambiente ocupacional onde o TLV atinge 50μg/m3 e a inalação constitui a principal via de exposição, dois órgãos, pulmão e rim, são considerados críticos.

Tabela 1. Exemplos de órgãos críticos e efeitos críticos

Substância Órgão crítico em exposição crônica efeito crítico
Cádmio Pulmões Fora do limite:
Câncer de pulmão (risco unitário 4.6 x 10-3)
  Rim Limite:
Aumento da excreção de proteínas de baixo peso molecular (β2 –M, RBP) na urina
  Pulmões Enfisema ligeiras alterações funcionais
Conduzir adultos
Sistema hematopoiético
Aumento da excreção de ácido delta-aminolevulínico na urina (ALA-U); aumento da concentração de protoporfirina eritrocitária livre (FEP) em eritrócitos
  Sistema nervoso periférico Diminuição das velocidades de condução das fibras nervosas mais lentas
Mercúrio (elemental) As crianças pequenas
Sistema nervoso central
Diminuição do QI e outros efeitos sutis; tremor mercurial (dedos, lábios, pálpebras)
Mercúrio (mercúrico) Rim Proteinúria
Manganês adultos
Sistema nervoso central
Comprometimento das funções psicomotoras
  Crianças
Pulmões
Sintomas respiratórios
  Sistema nervoso central Comprometimento das funções psicomotoras
Tolueno Membranas mucosas Irritação
Cloreto de vinilo Fígado Câncer
(risco unitário de angiossarcoma 1 x 10-6 )
Acetato de etilo Membrana mucosa Irritação

 

Para o chumbo, os órgãos críticos em adultos são os sistemas hematopoiético e nervoso periférico, onde os efeitos críticos (p. o nível de chumbo no sangue (um índice de absorção de chumbo no sistema) aproxima-se de 200 a 300μg/l. Em crianças pequenas, o órgão crítico é o sistema nervoso central (SNC), e os sintomas de disfunção detectados com o uso de uma bateria de testes psicológicos aparecem nas populações examinadas mesmo em concentrações na faixa de cerca de 100μg/l Pb em sangue.

Várias outras definições foram formuladas que podem refletir melhor o significado da noção. Segundo a OMS (1989), o efeito crítico foi definido como “o primeiro efeito adverso que aparece quando a concentração ou dose limiar (crítica) é atingida no órgão crítico. Efeitos adversos, como câncer, sem concentração limite definida, são frequentemente considerados críticos. A decisão sobre se um efeito é crítico é uma questão de julgamento especializado”. Nas diretrizes do Programa Internacional de Segurança Química (IPCS) para o desenvolvimento Documentos de Critérios de Saúde Ambiental, o efeito crítico é descrito como “o efeito adverso considerado mais apropriado para determinar a ingestão tolerável”. A última definição foi formulada diretamente com o objetivo de avaliar os limites de exposição baseados na saúde no ambiente geral. Neste contexto, o mais essencial parece ser determinar qual efeito pode ser considerado um efeito adverso. Seguindo a terminologia atual, o efeito adverso é a “mudança na morfologia, fisiologia, crescimento, desenvolvimento ou tempo de vida de um organismo que resulta no comprometimento da capacidade de compensar o estresse adicional ou no aumento da suscetibilidade aos efeitos nocivos de outras influências ambientais. A decisão sobre se algum efeito é adverso ou não requer julgamento especializado”.

A Figura 1 mostra curvas hipotéticas de dose-resposta para diferentes efeitos. No caso de exposição ao chumbo, A pode representar um efeito subcrítico (inibição da ALA-desidratase eritrocitária), B o efeito crítico (aumento da protoporfirina de zinco eritrocitário ou aumento da excreção de ácido delta-aminolevulínico, C o efeito clínico (anemia) e D o efeito fatal (morte). Para a exposição ao chumbo, há evidências abundantes que ilustram como os efeitos particulares da exposição dependem da concentração de chumbo no sangue (contraparte prática da dose), seja na forma da relação dose-resposta ou em relação a diferentes variáveis ​​(sexo, idade, etc. .). Determinar os efeitos críticos e a relação dose-resposta para tais efeitos em humanos permite prever a frequência de um determinado efeito para uma determinada dose ou sua contraparte (concentração em material biológico) em uma determinada população.

Figura 1. Curvas dose-resposta hipotéticas para vários efeitos

TOX080F1

Os efeitos críticos podem ser de dois tipos: aqueles considerados como tendo um limiar e aqueles para os quais pode haver algum risco em qualquer nível de exposição (sem limiar, carcinógenos genotóxicos e germes mutagênicos). Sempre que possível, dados humanos apropriados devem ser usados ​​como base para a avaliação de risco. A fim de determinar os efeitos limiares para a população em geral, devem ser feitas suposições relativas ao nível de exposição (ingestão tolerável, biomarcadores de exposição) de modo que a frequência do efeito crítico na população exposta a um determinado agente perigoso corresponda à frequência desse efeito na população em geral. Na exposição ao chumbo, a concentração máxima recomendada de chumbo no sangue para a população em geral (200μg/l, mediana abaixo de 100μg/l) (OMS 1987) está praticamente abaixo do valor limite para o efeito crítico assumido - o nível elevado de protoporfirina eritrocitária livre, embora não está abaixo do nível associado a efeitos no SNC em crianças ou pressão arterial em adultos. Em geral, se dados de estudos populacionais humanos bem conduzidos definindo um nível de efeito adverso não observado forem a base para avaliação de segurança, então o fator de incerteza de dez foi considerado apropriado. No caso da exposição ocupacional, os efeitos críticos podem referir-se a uma determinada parte da população (por exemplo, 10%). Consequentemente, na exposição ocupacional ao chumbo, a concentração de chumbo no sangue recomendada para a saúde foi adotada para ser de 400 mg/l em homens, onde um nível de resposta de 10% para ALA-U de 5 mg/l ocorreu em concentrações de PbB de cerca de 300 a 400 mg/l . Para a exposição ocupacional ao cádmio (assumindo o aumento da excreção urinária de proteínas de baixo peso como efeito crítico), o nível de 200 ppm de cádmio no córtex renal tem sido considerado o valor admissível, pois esse efeito foi observado em 10% dos a população exposta. Ambos os valores estão sendo considerados para redução, em muitos países, no momento (ou seja, 1996).

Não há um consenso claro sobre a metodologia apropriada para a avaliação de risco de produtos químicos para os quais o efeito crítico pode não ter um limite, como carcinógenos genotóxicos. Várias abordagens baseadas principalmente na caracterização da relação dose-resposta foram adotadas para a avaliação de tais efeitos. Devido à falta de aceitação sociopolítica do risco à saúde causado por agentes cancerígenos em documentos como o Diretrizes de qualidade do ar para a Europa (OMS 1987), apenas os valores como o risco vitalício unitário (ou seja, o risco associado à exposição vitalícia a 1μg/m3 do agente perigoso) são apresentados para efeitos sem limiar (consulte “Toxicologia regulamentar”).

Atualmente, o passo básico na realização de atividades para avaliação de risco é determinar o órgão crítico e os efeitos críticos. As definições de efeito crítico e adverso refletem a responsabilidade de decidir qual dos efeitos dentro de um determinado órgão ou sistema deve ser considerado crítico, e isso está diretamente relacionado à determinação subsequente dos valores recomendados para um determinado produto químico no ambiente geral -por exemplo, Diretrizes de qualidade do ar para a Europa (OMS 1987) ou limites baseados na saúde na exposição ocupacional (OMS 1980). Determinar o efeito crítico dentro da faixa de efeitos subcríticos pode levar a uma situação em que os limites recomendados de concentração de produtos químicos tóxicos no ambiente geral ou ocupacional podem ser, na prática, impossíveis de manter. Considerar como crítico um efeito que pode se sobrepor aos efeitos clínicos precoces pode levar à adoção de valores para os quais efeitos adversos podem se desenvolver em alguma parte da população. A decisão se um determinado efeito deve ou não ser considerado crítico continua sendo responsabilidade de grupos de especialistas especializados em toxicidade e avaliação de risco.

 

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Segunda-feira, 20 dezembro 2010 19: 23

Efeito da idade, sexo e outros fatores

Muitas vezes, existem grandes diferenças entre os seres humanos na intensidade da resposta a produtos químicos tóxicos e variações na suscetibilidade de um indivíduo ao longo da vida. Estes podem ser atribuídos a uma variedade de fatores capazes de influenciar a taxa de absorção, distribuição no corpo, biotransformação e/ou taxa de excreção de um determinado produto químico. Além dos fatores hereditários conhecidos que demonstraram estar claramente associados ao aumento da suscetibilidade à toxicidade química em humanos (ver “Determinantes genéticos da resposta tóxica”), outros fatores incluem: características constitucionais relacionadas à idade e ao sexo; estados de doença pré-existentes ou uma redução na função do órgão (não hereditária, ou seja, adquirida); hábitos alimentares, tabagismo, etilismo e uso de medicamentos; exposição concomitante a biotoxinas (vários microrganismos) e a factores físicos (radiação, humidade, temperaturas extremamente baixas ou altas ou pressões barométricas particularmente relevantes para a pressão parcial de um gás), bem como exercício físico concomitante ou situações de stress psicológico; exposição ocupacional e/ou ambiental anterior a um determinado produto químico e, em particular, exposição concomitante a outros produtos químicos, não necessariamente tóxicos (por exemplo, metais essenciais). As possíveis contribuições dos fatores mencionados no aumento ou diminuição da suscetibilidade a efeitos adversos à saúde, bem como os mecanismos de sua ação, são específicos para um determinado produto químico. Portanto, apenas os fatores mais comuns, mecanismos básicos e alguns exemplos característicos serão apresentados aqui, enquanto informações específicas sobre cada produto químico em particular podem ser encontradas em outras partes deste livro. enciclopédia.

De acordo com o estágio em que esses fatores agem (absorção, distribuição, biotransformação ou excreção de um determinado produto químico), os mecanismos podem ser classificados de acordo com duas consequências básicas da interação: (1) uma mudança na quantidade do produto químico em um órgão-alvo, ou seja, no(s) local(is) de seu efeito no organismo (interações toxicocinéticas), ou (2) uma mudança na intensidade de uma resposta específica à quantidade do produto químico em um órgão-alvo (interações toxicodinâmicas) . Os mecanismos mais comuns de qualquer tipo de interação estão relacionados à competição com outro(s) produto(s) químico(s) pela ligação aos mesmos compostos envolvidos em seu transporte no organismo (por exemplo, proteínas séricas específicas) e/ou pela mesma via de biotransformação (por exemplo, enzimas específicas) resultando em uma mudança na velocidade ou sequência entre a reação inicial e o efeito final adverso à saúde. No entanto, as interações toxicocinéticas e toxicodinâmicas podem influenciar a suscetibilidade individual a um determinado produto químico. A influência de vários fatores concomitantes pode resultar em: (a) efeitos aditivos—a intensidade do efeito combinado é igual à soma dos efeitos produzidos por cada fator separadamente, (b) efeitos sinérgicos—a intensidade do efeito combinado é maior que a soma dos efeitos produzidos por cada fator separadamente, ou (c) efeitos antagônicos— a intensidade do efeito combinado é menor que a soma dos efeitos produzidos por cada fator separadamente.

A quantidade de um determinado produto químico tóxico ou metabólito característico no(s) local(is) de seu efeito no corpo humano pode ser mais ou menos avaliada por monitoramento biológico, ou seja, escolhendo a amostra biológica correta e o tempo ideal de amostragem da amostra, levando em consideração em conta as meias-vidas biológicas de um determinado produto químico tanto no órgão crítico quanto no compartimento biológico medido. No entanto, geralmente faltam informações confiáveis ​​sobre outros possíveis fatores que podem influenciar a suscetibilidade individual em humanos e, consequentemente, a maior parte do conhecimento sobre a influência de vários fatores é baseada em dados experimentais de animais.

Deve-se enfatizar que, em alguns casos, existem diferenças relativamente grandes entre humanos e outros mamíferos na intensidade da resposta a um nível equivalente e/ou duração da exposição a muitos produtos químicos tóxicos; por exemplo, os humanos parecem ser consideravelmente mais sensíveis aos efeitos adversos à saúde de vários metais tóxicos do que os ratos (comumente usados ​​em estudos experimentais com animais). Algumas dessas diferenças podem ser atribuídas ao fato de que as vias de transporte, distribuição e biotransformação de vários produtos químicos dependem muito de mudanças sutis no pH do tecido e no equilíbrio redox no organismo (assim como as atividades de várias enzimas) e que o sistema redox do ser humano difere consideravelmente do do rato.

Este é obviamente o caso de importantes antioxidantes como a vitamina C e a glutationa (GSH), essenciais para manter o equilíbrio redox e que têm um papel protetor contra os efeitos adversos dos radicais livres derivados de oxigênio ou xenobióticos, envolvidos em um variedade de condições patológicas (Kehrer 1993). Os seres humanos não podem auto-sintetizar a vitamina C, ao contrário do rato, e os níveis, bem como a taxa de renovação de eritrócitos GSH em humanos, são consideravelmente mais baixos do que no rato. Os seres humanos também carecem de algumas das enzimas antioxidantes protetoras, em comparação com o rato ou outros mamíferos (por exemplo, a GSH-peroxidase é considerada pouco ativa no esperma humano). Esses exemplos ilustram a vulnerabilidade potencialmente maior ao estresse oxidativo em humanos (particularmente em células sensíveis, por exemplo, aparentemente maior vulnerabilidade do esperma humano a influências tóxicas do que a do rato), o que pode resultar em resposta diferente ou maior suscetibilidade à influência de vários fatores em humanos em comparação com outros mamíferos (Telišman 1995).

Influência da idade

Em comparação com os adultos, as crianças muito pequenas são frequentemente mais suscetíveis à toxicidade química por causa de seus volumes de inalação relativamente maiores e taxa de absorção gastrointestinal devido à maior permeabilidade do epitélio intestinal e por causa de sistemas enzimáticos de desintoxicação imaturos e uma taxa de excreção relativamente menor de produtos químicos tóxicos. . O sistema nervoso central parece ser particularmente suscetível no estágio inicial de desenvolvimento em relação à neurotoxicidade de vários produtos químicos, por exemplo, chumbo e metilmercúrio. Por outro lado, os idosos podem ser suscetíveis devido ao histórico de exposição química e aumento dos estoques corporais de alguns xenobióticos, ou função comprometida preexistente de órgãos-alvo e/ou enzimas relevantes, resultando em desintoxicação e taxa de excreção reduzidas. Cada um desses fatores pode contribuir para o enfraquecimento das defesas do corpo – uma diminuição na capacidade de reserva, causando maior suscetibilidade à exposição subseqüente a outros perigos. Por exemplo, as enzimas do citocromo P450 (envolvidas nas vias de biotransformação de quase todos os produtos químicos tóxicos) podem ser induzidas ou ter atividade reduzida devido à influência de vários fatores ao longo da vida (incluindo hábitos alimentares, tabagismo, álcool, uso de medicamentos e exposição a xenobióticos ambientais).

Influência do sexo

Diferenças relacionadas ao gênero na suscetibilidade foram descritas para um grande número de produtos químicos tóxicos (aproximadamente 200), e essas diferenças são encontradas em muitas espécies de mamíferos. Parece que os machos são geralmente mais suscetíveis a toxinas renais e as fêmeas a toxinas hepáticas. As causas da resposta diferente entre homens e mulheres têm sido relacionadas a diferenças em uma variedade de processos fisiológicos (por exemplo, as mulheres são capazes de excreção adicional de algumas substâncias químicas tóxicas através da perda de sangue menstrual, leite materno e/ou transferência para o feto, mas eles experimentam estresse adicional durante a gravidez, parto e lactação), atividades enzimáticas, mecanismos de reparo genético, fatores hormonais ou a presença de depósitos de gordura relativamente maiores em mulheres, resultando em maior acúmulo de alguns produtos químicos tóxicos lipofílicos, como solventes orgânicos e alguns medicamentos .

Influência dos Hábitos Alimentares

Os hábitos alimentares têm importante influência na suscetibilidade à toxicidade química, principalmente porque a nutrição adequada é essencial para o funcionamento do sistema de defesa química do organismo na manutenção da boa saúde. A ingestão adequada de metais essenciais (incluindo metalóides) e proteínas, especialmente os aminoácidos contendo enxofre, é necessária para a biossíntese de várias enzimas desintoxicantes e o fornecimento de glicina e glutationa para reações de conjugação com compostos endógenos e exógenos. Os lipídios, especialmente os fosfolipídios, e os lipotrópicos (doadores de grupos metílicos) são necessários para a síntese de membranas biológicas. Os carboidratos fornecem a energia necessária para vários processos de desintoxicação e fornecem ácido glucurônico para a conjugação de produtos químicos tóxicos e seus metabólitos. O selênio (um metalóide essencial), a glutationa e vitaminas como a vitamina C (solúvel em água), vitamina E e vitamina A (solúvel em lipídios) têm um papel importante como antioxidantes (por exemplo, no controle da peroxidação lipídica e na manutenção da integridade das membranas celulares). e removedores de radicais livres para proteção contra produtos químicos tóxicos. Além disso, vários constituintes dietéticos (teor de proteínas e fibras, minerais, fosfatos, ácido cítrico, etc.), bem como a quantidade de alimentos consumidos, podem influenciar muito a taxa de absorção gastrointestinal de muitos produtos químicos tóxicos (por exemplo, a taxa média de absorção de substâncias solúveis sais de chumbo ingeridos com as refeições é de aproximadamente oito por cento, em oposição a aproximadamente 60% em indivíduos em jejum). No entanto, a própria dieta pode ser uma fonte adicional de exposição individual a vários produtos químicos tóxicos (por exemplo, ingestão diária consideravelmente aumentada e acúmulo de arsênico, mercúrio, cádmio e/ou chumbo em indivíduos que consomem frutos do mar contaminados).

Influência do Fumo

O hábito de fumar pode influenciar a suscetibilidade individual a muitos produtos químicos tóxicos devido à variedade de interações possíveis envolvendo o grande número de compostos presentes na fumaça do cigarro (especialmente hidrocarbonetos aromáticos policíclicos, monóxido de carbono, benzeno, nicotina, acroleína, alguns pesticidas, cádmio e , em menor grau, chumbo e outros metais tóxicos, etc.), alguns dos quais são capazes de se acumular no corpo humano ao longo da vida, incluindo a vida pré-natal (por exemplo, chumbo e cádmio). As interações ocorrem principalmente porque vários produtos químicos tóxicos competem pelo(s) mesmo(s) sítio(s) de ligação para transporte e distribuição no organismo e/ou pela mesma via de biotransformação envolvendo enzimas específicas. Por exemplo, vários constituintes da fumaça do cigarro podem induzir as enzimas do citocromo P450, enquanto outros podem diminuir sua atividade e, assim, influenciar as vias comuns de biotransformação de muitos outros produtos químicos tóxicos, como solventes orgânicos e alguns medicamentos. O tabagismo pesado por um longo período pode reduzir consideravelmente os mecanismos de defesa do corpo, diminuindo a capacidade de reserva para lidar com a influência adversa de outros fatores do estilo de vida.

Influência do Álcool

O consumo de álcool (etanol) pode influenciar a suscetibilidade a muitos produtos químicos tóxicos de várias maneiras. Pode influenciar a taxa de absorção e a distribuição de certas substâncias químicas no corpo - por exemplo, aumentar a taxa de absorção gastrointestinal do chumbo ou diminuir a taxa de absorção pulmonar do vapor de mercúrio pela inibição da oxidação necessária para a retenção do vapor de mercúrio inalado. O etanol também pode influenciar a suscetibilidade a vários produtos químicos por meio de alterações de curto prazo no pH do tecido e aumento no potencial redox resultante do metabolismo do etanol, pois tanto a oxidação do etanol a acetaldeído quanto a oxidação do acetaldeído a acetato produzem um equivalente de nicotinamida adenina dinucleotídeo (NADH) reduzido e hidrogênio (H+). Como a afinidade de metais e metalóides essenciais e tóxicos para a ligação a vários compostos e tecidos é influenciada pelo pH e mudanças no potencial redox (Telišman 1995), mesmo uma ingestão moderada de etanol pode resultar em uma série de consequências, tais como: ( 1) redistribuição do chumbo acumulado a longo prazo no organismo humano em favor de uma fração de chumbo biologicamente ativa, (2) substituição do zinco essencial por chumbo na(s) enzima(s) contendo zinco, afetando assim a atividade da enzima ou influência da mobilização chumbo na distribuição de outros metais e metalóides essenciais no organismo, como cálcio, ferro, cobre e selênio, (3) aumento da excreção urinária de zinco e assim por diante. O efeito dos possíveis eventos mencionados acima pode ser aumentado devido ao fato de que as bebidas alcoólicas podem conter uma quantidade apreciável de chumbo proveniente de recipientes ou processamento (Prpic-Majic et al. 1984; Telišman et al. 1984; 1993).

Outra razão comum para mudanças na suscetibilidade relacionadas ao etanol é que muitos produtos químicos tóxicos, por exemplo, vários solventes orgânicos, compartilham a mesma via de biotransformação envolvendo as enzimas do citocromo P450. Dependendo da intensidade da exposição a solventes orgânicos, bem como da quantidade e frequência da ingestão de etanol (ou seja, consumo agudo ou crônico de álcool), o etanol pode diminuir ou aumentar as taxas de biotransformação de vários solventes orgânicos e, assim, influenciar sua toxicidade (Sato 1991). .

Influência de medicamentos

O uso comum de vários medicamentos pode influenciar a suscetibilidade a produtos químicos tóxicos, principalmente porque muitos medicamentos se ligam às proteínas séricas e, assim, influenciam o transporte, distribuição ou taxa de excreção de vários produtos químicos tóxicos, ou porque muitos medicamentos são capazes de induzir enzimas desintoxicantes relevantes ou deprimir sua atividade (por exemplo, as enzimas do citocromo P450), afetando assim a toxicidade de produtos químicos com a mesma via de biotransformação. A característica de qualquer um dos mecanismos é o aumento da excreção urinária de ácido tricloroacético (o metabólito de vários hidrocarbonetos clorados) quando se usa salicilato, sulfonamida ou fenilbutazona, e um aumento da hepato-nefrotoxicidade do tetracloreto de carbono quando se usa fenobarbital. Além disso, alguns medicamentos contêm uma quantidade considerável de uma substância química potencialmente tóxica, por exemplo, os antiácidos contendo alumínio ou preparações usadas para tratamento terapêutico da hiperfosfatemia que surge na insuficiência renal crônica.

Influência da exposição concomitante a outros produtos químicos

As alterações na suscetibilidade a efeitos adversos à saúde devido à interação de vários produtos químicos (ou seja, possíveis efeitos aditivos, sinérgicos ou antagonistas) foram estudadas quase exclusivamente em animais experimentais, principalmente em ratos. Faltam estudos epidemiológicos e clínicos relevantes. Isso é preocupante, especialmente considerando a intensidade relativamente maior da resposta ou a variedade de efeitos adversos à saúde de vários produtos químicos tóxicos em humanos em comparação com ratos e outros mamíferos. Além dos dados publicados no campo da farmacologia, a maioria dos dados está relacionada apenas a combinações de dois produtos químicos diferentes dentro de grupos específicos, como vários pesticidas, solventes orgânicos ou metais e metalóides essenciais e/ou tóxicos.

A exposição combinada a vários solventes orgânicos pode resultar em vários efeitos aditivos, sinérgicos ou antagônicos (dependendo da combinação de certos solventes orgânicos, sua intensidade e duração da exposição), principalmente devido à capacidade de influenciar a biotransformação uns dos outros (Sato 1991).

Outro exemplo característico são as interações de metais e metaloides essenciais e/ou tóxicos, já que estes estão envolvidos na possível influência da idade (por exemplo, acúmulo de chumbo e cádmio no corpo ao longo da vida), sexo (por exemplo, deficiência de ferro comum em mulheres ), hábitos alimentares (p. de medicamentos (por exemplo, uma única dose de antiácido pode resultar em um aumento de 50 vezes na ingestão média diária de alumínio através dos alimentos). A possibilidade de vários efeitos aditivos, sinérgicos ou antagônicos da exposição a vários metais e metalóides em humanos pode ser ilustrada por exemplos básicos relacionados aos principais elementos tóxicos (ver tabela 1), além dos quais outras interações podem ocorrer porque elementos essenciais também podem influenciar entre si (por exemplo, o conhecido efeito antagonista do cobre na taxa de absorção gastrointestinal, bem como no metabolismo do zinco e vice-versa). A principal causa de todas essas interações é a competição de vários metais e metaloides pelo mesmo sítio de ligação (especialmente o grupo sulfidrila, -SH) em várias enzimas, metaloproteínas (especialmente metalotioneína) e tecidos (por exemplo, membranas celulares e barreiras de órgãos). Estas interações podem ter um papel relevante no desenvolvimento de várias doenças crônicas que são mediadas pela ação de radicais livres e estresse oxidativo (Telišman 1995).

Tabela 1. Efeitos básicos de possíveis interações múltiplas sobre os principais metais tóxicos e/ou essenciais e mataloides em mamíferos

Metal tóxico ou metaloide Efeitos básicos da interação com outro metal ou metalóide
Alumínio (Al) Diminui a taxa de absorção de Ca e prejudica o metabolismo de Ca; Ca dietético deficiente aumenta a taxa de absorção de Al. Prejudica o metabolismo do fosfato. Os dados sobre interações com Fe, Zn e Cu são ambíguos (ou seja, o possível papel de outro metal como mediador).
Arsênico (As) Afeta a distribuição de Cu (um aumento de Cu no rim e uma diminuição de Cu no fígado, soro e urina). Prejudica o metabolismo do Fe (aumento do Fe no fígado com diminuição concomitante do hematócrito). O Zn diminui a taxa de absorção do As inorgânico e diminui a toxicidade do As. O Se diminui a toxicidade do As e vice-versa.
Cádmio (Cd) Diminui a taxa de absorção de Ca e prejudica o metabolismo de Ca; Ca dietético deficiente aumenta a taxa de absorção de Cd. Prejudica o metabolismo do fosfato, ou seja, aumenta a excreção urinária de fosfatos. Prejudica o metabolismo do Fe; a deficiência de Fe na dieta aumenta a taxa de absorção de Cd. Afeta a distribuição de Zn; O Zn diminui a toxicidade do Cd, enquanto sua influência na taxa de absorção do Cd é ambígua. O Se diminui a toxicidade do Cd. O Mn diminui a toxicidade do Cd na exposição de baixo nível ao Cd. Os dados sobre a interação com o Cu são ambíguos (ou seja, o possível papel do Zn, ou outro metal, como mediador). Altos níveis dietéticos de Pb, Ni, Sr, Mg ou Cr(III) podem diminuir a taxa de absorção de Cd.
Mercúrio (Hg) Afeta a distribuição de Cu (um aumento de Cu no fígado). Zn diminui a taxa de absorção de Hg inorgânico e diminui a toxicidade de Hg. O Se diminui a toxicidade do Hg. O Cd aumenta a concentração de Hg no rim, mas ao mesmo tempo diminui a toxicidade do Hg no rim (a influência da síntese de metalotioneína induzida por Cd).
Chumbo (Pb) Prejudica o metabolismo do Ca; Ca dietético deficiente aumenta a taxa de absorção de Pb inorgânico e aumenta a toxicidade de Pb. Prejudica o metabolismo do Fe; a deficiência de Fe na dieta aumenta a toxicidade do Pb, enquanto sua influência na taxa de absorção do Pb é ambígua. Prejudica o metabolismo do Zn e aumenta a excreção urinária de Zn; a deficiência de Zn na dieta aumenta a taxa de absorção do Pb inorgânico e aumenta a toxicidade do Pb. O Se diminui a toxicidade do Pb. Os dados sobre interações com Cu e Mg são ambíguos (ou seja, o possível papel do Zn, ou outro metal, como mediador).

Nota: Os dados estão principalmente relacionados a estudos experimentais em ratos, enquanto dados clínicos e epidemiológicos relevantes (particularmente em relação a relações dose-resposta quantitativas) são geralmente ausentes (Elsenhans et al. 1991; Fergusson 1990; Telišman et al. 1993).

 

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Segunda-feira, 20 dezembro 2010 19: 25

Determinantes Genéticos da Resposta Tóxica

Há muito se reconhece que a resposta de cada pessoa aos produtos químicos ambientais é diferente. A recente explosão em biologia molecular e genética trouxe uma compreensão mais clara sobre a base molecular de tal variabilidade. Os principais determinantes da resposta individual a produtos químicos incluem diferenças importantes entre mais de uma dúzia de superfamílias de enzimas, denominadas coletivamente xenobiótico- (estranho para o corpo) ou metabolizador de drogas enzimas. Embora o papel dessas enzimas tenha sido classicamente considerado como desintoxicação, essas mesmas enzimas também convertem vários compostos inertes em intermediários altamente tóxicos. Recentemente, muitas diferenças sutis e grosseiras nos genes que codificam essas enzimas foram identificadas, o que demonstrou resultar em variações marcantes na atividade enzimática. Agora está claro que cada indivíduo possui um complemento distinto de atividades de enzimas metabolizadoras de xenobióticos; essa diversidade pode ser considerada uma “impressão digital metabólica”. É a interação complexa dessas muitas superfamílias de enzimas diferentes que, em última análise, determina não apenas o destino e o potencial de toxicidade de um produto químico em qualquer indivíduo, mas também a avaliação da exposição. Neste artigo, optamos por usar a superfamília de enzimas do citocromo P450 para ilustrar o notável progresso feito na compreensão da resposta individual a produtos químicos. O desenvolvimento de testes baseados em DNA relativamente simples, projetados para identificar alterações genéticas específicas nessas enzimas, agora está fornecendo previsões mais precisas da resposta individual à exposição a produtos químicos. Esperamos que o resultado seja toxicologia preventiva. Em outras palavras, cada indivíduo pode aprender sobre os produtos químicos aos quais é particularmente sensível, evitando assim toxicidade ou câncer anteriormente imprevisíveis.

Embora geralmente não seja apreciado, os seres humanos são expostos diariamente a uma enxurrada de inúmeros produtos químicos diversos. Muitos desses produtos químicos são altamente tóxicos e são derivados de uma ampla variedade de fontes ambientais e alimentares. A relação entre tais exposições e a saúde humana tem sido, e continua sendo, um dos principais focos dos esforços de pesquisa biomédica em todo o mundo.

Quais são alguns exemplos desse bombardeio químico? Mais de 400 produtos químicos do vinho tinto foram isolados e caracterizados. Estima-se que pelo menos 1,000 produtos químicos sejam produzidos por um cigarro aceso. Existem inúmeros produtos químicos em cosméticos e sabonetes perfumados. Outra fonte importante de exposição a produtos químicos é a agricultura: somente nos Estados Unidos, as fazendas recebem mais de 75,000 produtos químicos a cada ano na forma de pesticidas, herbicidas e agentes fertilizantes; após a absorção por plantas e animais de pasto, bem como peixes em cursos de água próximos, os humanos (no final da cadeia alimentar) ingerem esses produtos químicos. Duas outras fontes de grandes concentrações de substâncias químicas ingeridas pelo corpo incluem (a) drogas ingeridas cronicamente e (b) exposição a substâncias perigosas no local de trabalho durante toda a vida de trabalho.

Já está bem estabelecido que a exposição a produtos químicos pode afetar adversamente muitos aspectos da saúde humana, causando doenças crônicas e o desenvolvimento de muitos tipos de câncer. Mais ou menos na última década, a base molecular de muitas dessas relações começou a ser desvendada. Além disso, surgiu a percepção de que os seres humanos diferem acentuadamente em sua suscetibilidade aos efeitos nocivos da exposição a produtos químicos.

Os esforços atuais para prever a resposta humana à exposição química combinam duas abordagens fundamentais (figura 1): monitorar a extensão da exposição humana por meio de marcadores biológicos (biomarcadores) e prever a resposta provável de um indivíduo a um determinado nível de exposição. Embora ambas as abordagens sejam extremamente importantes, deve-se enfatizar que as duas são distintamente diferentes uma da outra. Este artigo se concentrará no fatores genéticos suscetibilidade individual subjacente a qualquer exposição química específica. Este campo de pesquisa é amplamente denominado ecogenéticaou farmacogenética (ver Kalow 1962 e 1992). Muitos dos avanços recentes na determinação da suscetibilidade individual à toxicidade química evoluíram de uma maior apreciação dos processos pelos quais humanos e outros mamíferos desintoxicam produtos químicos e a notável complexidade dos sistemas enzimáticos envolvidos.

Figura 1. As inter-relações entre avaliação de exposição, diferenças étnicas, idade, dieta, nutrição e avaliação de susceptibilidade genética - todos os quais desempenham um papel no risco individual de toxicidade e câncerTOX050F1

Descreveremos primeiro a variabilidade das respostas tóxicas em humanos. Em seguida, apresentaremos algumas das enzimas responsáveis ​​por essa variação na resposta, devido a diferenças no metabolismo de substâncias químicas estranhas. A seguir, será detalhada a história e a nomenclatura da superfamília do citocromo P450. Cinco polimorfismos humanos do P450, bem como vários polimorfismos não-P450, serão brevemente descritos; estes são responsáveis ​​pelas diferenças humanas na resposta tóxica. Em seguida, discutiremos um exemplo para enfatizar que diferenças genéticas em indivíduos podem influenciar a avaliação da exposição, determinada pelo monitoramento ambiental. Por fim, discutiremos o papel dessas enzimas metabolizadoras de xenobióticos em funções críticas da vida.

Variação na resposta tóxica entre a população humana

Toxicologistas e farmacologistas comumente falam sobre a dose letal média para 50% da população (LD50), a dose média máxima tolerada para 50% da população (MTD50) e a dose efetiva média de um determinado medicamento para 50% da população (ED50). No entanto, como essas doses afetam cada um de nós individualmente? Em outras palavras, um indivíduo altamente sensível pode ser 500 vezes mais afetado ou 500 vezes mais propenso a ser afetado do que o indivíduo mais resistente em uma população; para essas pessoas, o LD50 (e MTD50 e ED50) os valores teriam pouco significado. LD50, MTD50 e ED50 os valores só são relevantes quando se referem à população como um todo.

Figura 2 ilustra uma relação dose-resposta hipotética para uma resposta tóxica por indivíduos em qualquer população. Este diagrama genérico pode representar carcinoma broncogênico em resposta ao número de cigarros fumados, cloracne em função dos níveis de dioxinas no local de trabalho, asma em função das concentrações de ozônio ou aldeído no ar, queimaduras solares em resposta à luz ultravioleta, diminuição do tempo de coagulação como em função da ingestão de aspirina ou desconforto gastrointestinal em resposta ao número de Pimenta jalapeno pimentão consumido. Geralmente, em cada um desses casos, quanto maior a exposição, maior a resposta tóxica. A maioria da população exibirá a média e o desvio padrão da resposta tóxica em função da dose. O “outlier resistente” (canto inferior direito na figura 2) é um indivíduo com menos resposta a doses ou exposições mais altas. Um “outlier sensível” (canto superior esquerdo) é um indivíduo com uma resposta exagerada a uma dose ou exposição relativamente pequena. Esses outliers, com diferenças extremas na resposta em comparação com a maioria dos indivíduos da população, podem representar variantes genéticas importantes que podem ajudar os cientistas na tentativa de entender os mecanismos moleculares subjacentes de uma resposta tóxica. 

Figura 2. Relação genérica entre qualquer resposta tóxica e a dose de qualquer agente ambiental, químico ou físico

TOX050F2

Usando esses valores discrepantes em estudos familiares, cientistas de vários laboratórios começaram a avaliar a importância da herança mendeliana para uma determinada resposta tóxica. Posteriormente, pode-se recorrer à biologia molecular e estudos genéticos para identificar o mecanismo subjacente no nível do gene (genótipo) responsável pela doença causada pelo meio ambiente (fenótipo).

Enzimas metabolizadoras de drogas ou xenobióticos

Como o corpo responde à miríade de produtos químicos exógenos aos quais estamos expostos? Os seres humanos e outros mamíferos desenvolveram sistemas enzimáticos metabólicos altamente complexos compreendendo mais de uma dúzia de superfamílias distintas de enzimas. Quase todos os produtos químicos aos quais os seres humanos são expostos serão modificados por essas enzimas, a fim de facilitar a remoção da substância estranha do corpo. Coletivamente, essas enzimas são frequentemente referidas como enzimas metabolizadoras de drogas or enzimas metabolizadoras de xenobióticos. Na verdade, ambos os termos são nomes impróprios. Em primeiro lugar, muitas dessas enzimas metabolizam não apenas drogas, mas centenas de milhares de substâncias químicas ambientais e dietéticas. Em segundo lugar, todas essas enzimas também têm compostos normais do corpo como substratos; nenhuma dessas enzimas metaboliza apenas substâncias químicas estranhas.

Por mais de quatro décadas, os processos metabólicos mediados por essas enzimas foram comumente classificados como reações de Fase I ou Fase II (figura 3). As reações da Fase I (“funcionalização”) geralmente envolvem modificações estruturais relativamente menores do produto químico original por meio de oxidação, redução ou hidrólise para produzir um metabólito mais solúvel em água. Freqüentemente, as reações da Fase I fornecem um “manipulação” para modificação adicional de um composto pelas reações subsequentes da Fase II. As reações da Fase I são primariamente mediadas por uma superfamília de enzimas altamente versáteis, coletivamente denominadas citocromos P450, embora outras superfamílias enzimáticas também possam estar envolvidas (figura 4).

Figura 3. A designação clássica de enzimas metabolizadoras de drogas ou xenobióticos de Fase I e Fase IItox050f4

Figura 4. Exemplos de enzimas metabolizadoras de drogas

TOX050T1

As reações da Fase II envolvem o acoplamento de uma molécula endógena solúvel em água a um produto químico (produto químico original ou metabólito da Fase I) para facilitar a excreção. As reações da fase II são frequentemente denominadas reações de “conjugação” ou “derivatização”. As superfamílias enzimáticas que catalisam as reações da Fase II são geralmente nomeadas de acordo com a porção conjugadora endógena envolvida: por exemplo, acetilação pelas N-acetiltransferases, sulfatação pelas sulfotransferases, conjugação da glutationa pelas glutationas transferases e glucuronidação pelas UDP glucuronosiltransferases (figura 4). . Embora o principal órgão do metabolismo de drogas seja o fígado, os níveis de algumas enzimas metabolizadoras de drogas são bastante elevados no trato gastrointestinal, nas gônadas, nos pulmões, no cérebro e nos rins, e essas enzimas estão indubitavelmente presentes em alguma extensão em todas as células vivas.

Enzimas metabolizadoras de xenobióticos representam uma faca de dois gumes Espadas

À medida que aprendemos mais sobre os processos biológicos e químicos que levam a aberrações da saúde humana, torna-se cada vez mais evidente que as enzimas metabolizadoras de drogas funcionam de maneira ambivalente (figura 3). Na maioria dos casos, os produtos químicos lipossolúveis são convertidos em metabólitos solúveis em água excretados mais facilmente. No entanto, é claro que muitas vezes as mesmas enzimas são capazes de transformar outros produtos químicos inertes em moléculas altamente reativas. Esses intermediários podem então interagir com macromoléculas celulares, como proteínas e DNA. Assim, para cada produto químico ao qual os seres humanos são expostos, existe o potencial para as vias concorrentes de ativação metabólica e desintoxicação.

Breve Revisão de Genética

Na genética humana, cada gene (loci) está localizado em um dos 23 pares de cromossomos. Os dois alelos (um presente em cada cromossomo do par) podem ser iguais ou diferentes entre si. Por exemplo, o B e b alelos, em que B (olhos castanhos) é dominante sobre b (olhos azuis): indivíduos do fenótipo de olhos castanhos podem ter tanto o BB or Bb genótipos, enquanto os indivíduos do fenótipo de olhos azuis só podem ter o bb genótipo.

A polimorfismo é definido como dois ou mais fenótipos herdados de forma estável (características) - derivados do(s) mesmo(s) gene(s) - que são mantidos na população, muitas vezes por razões não necessariamente óbvias. Para que um gene seja polimórfico, o produto gênico não deve ser essencial para o desenvolvimento, vigor reprodutivo ou outros processos críticos da vida. De fato, um “polimorfismo balanceado”, em que o heterozigoto tem uma vantagem de sobrevivência distinta sobre qualquer um dos homozigotos (por exemplo, resistência à malária e o alelo da hemoglobina falciforme) é uma explicação comum para a manutenção de um alelo na população em níveis elevados inexplicáveis. frequências (ver González e Nebert 1990).

Polimorfismos humanos de enzimas metabolizadoras de xenobióticos

As diferenças genéticas no metabolismo de várias drogas e produtos químicos ambientais são conhecidas há mais de quatro décadas (Kalow 1962 e 1992). Essas diferenças são freqüentemente chamadas de farmacogenético ou, mais amplamente, polimorfismos ecogenéticos. Esses polimorfismos representam alelos variantes que ocorrem em uma frequência relativamente alta na população e geralmente estão associados a aberrações na expressão ou função da enzima. Historicamente, os polimorfismos geralmente eram identificados após respostas inesperadas a agentes terapêuticos. Mais recentemente, a tecnologia do DNA recombinante permitiu aos cientistas identificar as alterações precisas nos genes responsáveis ​​por alguns desses polimorfismos. Os polimorfismos já foram caracterizados em muitas enzimas metabolizadoras de drogas, incluindo as enzimas de Fase I e Fase II. À medida que mais e mais polimorfismos são identificados, torna-se cada vez mais aparente que cada indivíduo pode possuir um complemento distinto de enzimas metabolizadoras de drogas. Essa diversidade pode ser descrita como uma “impressão digital metabólica”. É a complexa interação das várias superfamílias de enzimas metabolizadoras de drogas dentro de qualquer indivíduo que determinará sua resposta particular a uma determinada substância química (Kalow 1962 e 1992; Nebert 1988; Gonzalez e Nebert 1990; Nebert e Weber 1990).

Expressando Enzimas Metabolizadoras de Xenobióticos Humanos em Células Cultura

Como podemos desenvolver melhores preditores de respostas tóxicas humanas a produtos químicos? Avanços na definição da multiplicidade de enzimas metabolizadoras de drogas devem ser acompanhados por um conhecimento preciso de quais enzimas determinam o destino metabólico de substâncias químicas individuais. Dados obtidos de estudos de roedores de laboratório certamente forneceram informações úteis. No entanto, diferenças significativas entre espécies em enzimas metabolizadoras de xenobióticos exigem cautela ao extrapolar dados para populações humanas. Para superar essa dificuldade, muitos laboratórios desenvolveram sistemas nos quais várias linhagens de células em cultura podem ser modificadas para produzir enzimas humanas funcionais que sejam estáveis ​​e em altas concentrações (Gonzalez, Crespi e Gelboin 1991). A produção bem-sucedida de enzimas humanas foi alcançada em uma variedade de diversas linhas celulares de fontes, incluindo bactérias, leveduras, insetos e mamíferos.

Para definir o metabolismo dos produtos químicos com ainda mais precisão, várias enzimas também foram produzidos com sucesso em uma única linha celular (Gonzalez, Crespi e Gelboin 1991). Essas linhas celulares fornecem informações valiosas sobre as enzimas precisas envolvidas no processamento metabólico de qualquer composto e prováveis ​​metabólitos tóxicos. Se essas informações puderem ser combinadas com o conhecimento sobre a presença e o nível de uma enzima nos tecidos humanos, esses dados devem fornecer preditores valiosos de resposta.

Cytochrome P450

História e nomenclatura

A superfamília do citocromo P450 é uma das superfamílias de enzimas metabolizadoras de drogas mais estudadas, tendo uma grande variabilidade individual em resposta a produtos químicos. Citocromo P450 é um termo genérico conveniente usado para descrever uma grande superfamília de enzimas essenciais no metabolismo de inúmeros substratos endógenos e exógenos. O termo citocromo P450 foi cunhado pela primeira vez em 1962 para descrever um desconhecido pigmento em células que, quando reduzidas e ligadas com monóxido de carbono, produziram um pico de absorção característico em 450 nm. Desde o início da década de 1980, a tecnologia de clonagem de cDNA resultou em insights notáveis ​​sobre a multiplicidade de enzimas do citocromo P450. Até o momento, mais de 400 genes distintos do citocromo P450 foram identificados em animais, plantas, bactérias e leveduras. Estima-se que qualquer espécie de mamífero, como os humanos, pode possuir 60 ou mais genes P450 distintos (Nebert e Nelson 1991). A multiplicidade dos genes P450 exigiu o desenvolvimento de um sistema de nomenclatura padronizado (Nebert et al. 1987; Nelson et al. 1993). Proposto pela primeira vez em 1987 e atualizado semestralmente, o sistema de nomenclatura é baseado na evolução divergente das comparações de sequências de aminoácidos entre as proteínas P450. Os genes P450 são divididos em famílias e subfamílias: as enzimas dentro de uma família exibem mais de 40% de similaridade de aminoácidos, e aquelas dentro da mesma subfamília exibem 55% de similaridade. Os genes P450 são nomeados com o símbolo da raiz CYP seguido por um numeral arábico designando a família P450, uma letra denotando a subfamília, e outro numeral arábico designando o gene individual (Nelson et al. 1993; Nebert et al. 1991). Desta forma, CYP1A1 representa o gene P450 1 na família 1 e subfamília A.

Em fevereiro de 1995, havia 403 CYP genes no banco de dados, composto por 59 famílias e 105 subfamílias. Estes incluem oito famílias eucarióticas inferiores, 15 famílias de plantas e 19 famílias de bactérias. As 15 famílias de genes P450 humanos compreendem 26 subfamílias, 22 das quais foram mapeadas para localizações cromossômicas na maior parte do genoma. Algumas sequências são claramente ortólogas em muitas espécies - por exemplo, apenas uma CYP17 (esteróide 17α-hidroxilase) gene foi encontrado em todos os vertebrados examinados até o momento; outras sequências dentro de uma subfamília são altamente duplicadas, impossibilitando a identificação de pares ortólogos (por exemplo, o CYP2C subfamília). Curiosamente, humanos e leveduras compartilham um gene ortólogo no CYP51 família. Numerosas revisões abrangentes estão disponíveis para leitores que buscam mais informações sobre a superfamília P450 (Nelson et al. 1993; Nebert et al. 1991; Nebert e McKinnon 1994; Guengerich 1993; Gonzalez 1992).

O sucesso do sistema de nomenclatura P450 resultou no desenvolvimento de sistemas terminológicos semelhantes para UDP glucuronosiltransferases (Burchell et al. 1991) e monooxigenases contendo flavina (Lawton et al. 1994). Sistemas de nomenclatura semelhantes baseados em evolução divergente também estão em desenvolvimento para várias outras superfamílias de enzimas metabolizadoras de drogas (por exemplo, sulfotransferases, epóxido hidrolases e aldeído desidrogenases).

Recentemente, dividimos a superfamília do gene P450 de mamíferos em três grupos (Nebert e McKinnon, 1994) — os envolvidos principalmente com o metabolismo químico estranho, os envolvidos na síntese de vários hormônios esteróides e os que participam de outras importantes funções endógenas. São as enzimas P450 metabolizadoras de xenobióticos que assumem a maior importância para a previsão de toxicidade.

Enzimas P450 metabolizadoras de xenobióticos

Enzimas P450 envolvidas no metabolismo de compostos estranhos e drogas são quase sempre encontradas dentro de famílias CYP1, CYP2, CYP3 e CYP4. Essas enzimas P450 catalisam uma ampla variedade de reações metabólicas, com uma única P450 frequentemente capaz de metabolizar muitos compostos diferentes. Além disso, várias enzimas P450 podem metabolizar um único composto em locais diferentes. Além disso, um composto pode ser metabolizado no mesmo local único por vários P450s, embora em taxas variáveis.

Uma propriedade muito importante das enzimas P450 metabolizadoras de drogas é que muitos desses genes são induzidos pelas próprias substâncias que servem como seus substratos. Por outro lado, outros genes P450 são induzidos por não substratos. Este fenômeno de indução enzimática é a base de muitas interações medicamentosas de importância terapêutica.

Embora presentes em muitos tecidos, essas enzimas P450 específicas são encontradas em níveis relativamente altos no fígado, o principal local de metabolismo de drogas. Algumas das enzimas P450 metabolizadoras de xenobióticos exibem atividade em relação a certos substratos endógenos (por exemplo, ácido araquidônico). No entanto, acredita-se geralmente que a maioria dessas enzimas P450 metabolizadoras de xenobióticos não desempenham papéis fisiológicos importantes - embora isso ainda não tenha sido estabelecido experimentalmente. A interrupção homozigótica seletiva, ou "knock-out", de genes P450 metabolizadores de xenobióticos individuais por meio de metodologias de direcionamento de genes em camundongos provavelmente fornecerá informações inequívocas em breve com relação aos papéis fisiológicos dos P450s metabolizadores de xenobióticos (para uma revisão de direcionamento de genes, ver Capecchi 1994).

Em contraste com as famílias P450 que codificam enzimas envolvidas principalmente em processos fisiológicos, as famílias que codificam enzimas P450 metabolizadoras de xenobióticos exibem marcada especificidade de espécie e frequentemente contêm muitos genes ativos por subfamília (Nelson et al. 1993; Nebert et al. 1991). Dada a aparente falta de substratos fisiológicos, é possível que as enzimas P450 nas famílias CYP1, CYP2, CYP3 e CYP4 que surgiram nas últimas centenas de milhões de anos evoluíram como um meio de desintoxicar substâncias químicas estranhas encontradas no ambiente e na dieta. Claramente, a evolução dos P450 metabolizadores de xenobióticos teria ocorrido em um período de tempo que precede em muito a síntese da maioria dos produtos químicos sintéticos aos quais os humanos estão agora expostos. Os genes nessas quatro famílias de genes podem ter evoluído e divergido em animais devido à sua exposição a metabólitos de plantas durante os últimos 1.2 bilhão de anos – um processo denominado descritivamente “guerra animal-planta” (Gonzalez e Nebert 1990). A guerra animal-planta é o fenômeno no qual as plantas desenvolveram novos produtos químicos (fitoalexinas) como mecanismo de defesa para evitar a ingestão por animais, e os animais, por sua vez, responderam desenvolvendo novos genes P450 para acomodar os substratos diversificados. Fornecendo mais ímpeto a esta proposta estão os exemplos recentemente descritos de guerra química planta-inseto e planta-fungo envolvendo desintoxicação de substratos tóxicos por P450 (Nebert 1994).

O que se segue é uma breve introdução a vários dos polimorfismos da enzima P450 metabolizadora de xenobióticos humanos, nos quais se acredita que os determinantes genéticos da resposta tóxica sejam de grande importância. Até recentemente, os polimorfismos do P450 eram geralmente sugeridos por variações inesperadas na resposta do paciente aos agentes terapêuticos administrados. Vários polimorfismos P450 são de fato nomeados de acordo com a droga com a qual o polimorfismo foi identificado pela primeira vez. Mais recentemente, os esforços de pesquisa se concentraram na identificação das enzimas P450 precisas envolvidas no metabolismo de produtos químicos para os quais a variação é observada e na caracterização precisa dos genes P450 envolvidos. Conforme descrito anteriormente, a atividade mensurável de uma enzima P450 em relação a um produto químico modelo pode ser chamada de fenótipo. As diferenças alélicas em um gene P450 para cada indivíduo são denominadas genótipo P450. À medida que mais e mais escrutínio é aplicado à análise dos genes P450, a base molecular precisa da variação fenotípica previamente documentada está se tornando mais clara.

A subfamília CYP1A

A CYP1A A subfamília compreende duas enzimas em humanos e todos os outros mamíferos: estas são designadas CYP1A1 e CYP1A2 sob a nomenclatura padrão P450. Essas enzimas são de considerável interesse, pois estão envolvidas na ativação metabólica de muitos procarcinógenos e também são induzidas por vários compostos de interesse toxicológico, incluindo a dioxina. Por exemplo, CYP1A1 ativa metabolicamente muitos compostos encontrados na fumaça do cigarro. O CYP1A2 ativa metabolicamente muitas arilaminas - associadas ao câncer de bexiga urinária - encontradas na indústria de corantes químicos. O CYP1A2 também ativa metabolicamente a 4-(metilnitrosamino)-1-(3-piridil)-1-butanona (NNK), uma nitrosamina derivada do tabaco. CYP1A1 e CYP1A2 também são encontrados em níveis mais elevados nos pulmões de fumantes de cigarro, devido à indução por hidrocarbonetos policíclicos presentes na fumaça. Os níveis de atividade de CYP1A1 e CYP1A2 são, portanto, considerados determinantes importantes da resposta individual a muitos produtos químicos potencialmente tóxicos.

Interesse toxicológico no CYP1A A subfamília foi bastante intensificada por um relatório de 1973 correlacionando o nível de indutibilidade do CYP1A1 em fumantes com suscetibilidade individual ao câncer de pulmão (Kellermann, Shaw e Luyten-Kellermann 1973). A base molecular da indução de CYP1A1 e CYP1A2 tem sido o foco principal de vários laboratórios. O processo de indução é mediado por uma proteína denominada receptor Ah, ao qual se ligam as dioxinas e os produtos químicos estruturalmente relacionados. O nome Ah é derivado do aril hnatureza de hidrocarbonetos de muitos indutores de CYP1A. Curiosamente, as diferenças no gene que codifica o receptor Ah entre as cepas de camundongos resultam em diferenças marcantes na resposta química e na toxicidade. Um polimorfismo no gene do receptor Ah também parece ocorrer em humanos: aproximadamente um décimo da população exibe alta indução de CYP1A1 e pode estar em maior risco do que os outros nove décimos da população para o desenvolvimento de certos tipos de câncer induzidos quimicamente. O papel do receptor Ah no controle de enzimas no CYP1A subfamília, e seu papel como determinante da resposta humana à exposição química, tem sido objeto de várias revisões recentes (Nebert, Petersen e Puga 1991; Nebert, Puga e Vasiliou 1993).

Existem outros polimorfismos que podem controlar o nível de proteínas CYP1A em uma célula? Um polimorfismo no CYP1A1 gene também foi identificado, e isso parece influenciar o risco de câncer de pulmão entre os fumantes de cigarros japoneses, embora esse mesmo polimorfismo não pareça influenciar o risco em outros grupos étnicos (Nebert e McKinnon 1994).

CYP2C19

Variações na taxa na qual os indivíduos metabolizam a droga anticonvulsivante (S)-mefenitoína foram bem documentadas por muitos anos (Guengerich 1989). Entre 2% e 5% dos caucasianos e até 25% dos asiáticos são deficientes nesta atividade e podem estar em maior risco de toxicidade da droga. Há muito se sabe que esse defeito enzimático envolve um membro do organismo humano CYP2C subfamília, mas a base molecular precisa dessa deficiência tem sido objeto de considerável controvérsia. A principal razão para esta dificuldade foram os seis ou mais genes no ser humano CYP2C subfamília. Foi recentemente demonstrado, no entanto, que uma mutação de base única no CYP2C19 gene é a causa primária desta deficiência (Goldstein e de Morais 1994). Um teste simples de DNA, baseado na reação em cadeia da polimerase (PCR), também foi desenvolvido para identificar essa mutação rapidamente em populações humanas (Goldstein e de Morais 1994).

CYP2D6

Talvez a variação mais extensivamente caracterizada em um gene P450 seja aquela que envolve o CYP2D6 gene. Mais de uma dúzia de exemplos de mutações, rearranjos e deleções afetando esse gene foram descritos (Meyer 1994). Esse polimorfismo foi sugerido pela primeira vez há 20 anos pela variabilidade clínica na resposta dos pacientes ao agente anti-hipertensivo detrissoquina. Alterações no CYP2D6 gene que dá origem à atividade enzimática alterada são, portanto, denominados coletivamente de polimorfismo de debrisoquina.

Antes do advento dos estudos baseados em DNA, os indivíduos eram classificados como metabolizadores fracos ou extensos (PMs, EMs) de detritosquina com base nas concentrações de metabólitos em amostras de urina. Agora está claro que as alterações na CYP2D6 gene pode resultar em indivíduos exibindo não apenas metabolismo pobre ou extenso da debrisoquina, mas também metabolismo ultrarrápido. A maioria das alterações no CYP2D6 gene estão associados com deficiência parcial ou total da função enzimática; no entanto, recentemente foram descritos indivíduos em duas famílias que possuem múltiplas cópias funcionais do CYP2D6 gene, dando origem ao metabolismo ultrarrápido de substratos CYP2D6 (Meyer 1994). Esta observação notável fornece novos insights sobre o amplo espectro da atividade do CYP2D6 previamente observado em estudos populacionais. Alterações na função do CYP2D6 são de particular importância, dados os mais de 30 medicamentos comumente prescritos metabolizados por esta enzima. A função do CYP2D6 de um indivíduo é, portanto, um determinante importante da resposta terapêutica e tóxica à terapia administrada. De fato, recentemente foi argumentado que a consideração do status de CYP2D6 de um paciente é necessária para o uso seguro de drogas psiquiátricas e cardiovasculares.

O papel do CYP2D6 o polimorfismo como um determinante da suscetibilidade individual a doenças humanas, como câncer de pulmão e doença de Parkinson, também tem sido objeto de intenso estudo (Nebert e McKinnon 1994; Meyer 1994). Embora as conclusões sejam difíceis de definir dada a natureza diversa dos protocolos de estudo utilizados, a maioria dos estudos parece indicar uma associação entre metabolizadores extensos de detritosquina (fenótipo EM) e câncer de pulmão. As razões para tal associação ainda não estão claras. No entanto, foi demonstrado que a enzima CYP2D6 metaboliza a NNK, uma nitrosamina derivada do tabaco.

À medida que os ensaios baseados em DNA melhoram, permitindo uma avaliação ainda mais precisa do status do CYP2D6, espera-se que a relação precisa do CYP2D6 com o risco de doenças seja esclarecida. Enquanto o metabolizador extenso pode estar associado à suscetibilidade ao câncer de pulmão, o metabolizador fraco (fenótipo PM) parece estar associado à doença de Parkinson de causa desconhecida. Embora esses estudos também sejam difíceis de comparar, parece que os indivíduos com PM com uma capacidade diminuída de metabolizar substratos do CYP2D6 (por exemplo, debrisoquina) têm um risco 2 a 2.5 vezes maior de desenvolver a doença de Parkinson.

CYP2E1

A CYP2E1 O gene codifica uma enzima que metaboliza muitos produtos químicos, incluindo drogas e muitos carcinógenos de baixo peso molecular. Essa enzima também é de interesse porque é altamente induzível pelo álcool e pode desempenhar um papel na lesão hepática induzida por produtos químicos como clorofórmio, cloreto de vinila e tetracloreto de carbono. A enzima é encontrada principalmente no fígado, e o nível da enzima varia acentuadamente entre os indivíduos. Exame minucioso do CYP2E1 gene resultou na identificação de vários polimorfismos (Nebert e McKinnon 1994). Foi relatada uma relação entre a presença de certas variações estruturais no CYP2E1 gene e aparente risco reduzido de câncer de pulmão em alguns estudos; no entanto, existem claras diferenças interétnicas que requerem esclarecimentos sobre essa possível relação.

A subfamília CYP3A

Em humanos, quatro enzimas foram identificadas como membros do CYP3A subfamília devido à sua semelhança na sequência de aminoácidos. As enzimas CYP3A metabolizam muitos medicamentos comumente prescritos, como eritromicina e ciclosporina. O contaminante alimentar cancerígeno aflatoxina B1 também é um substrato CYP3A. Um membro do ser humano CYP3A subfamília, designada CYP3A4, é o principal P450 no fígado humano, além de estar presente no trato gastrointestinal. Como acontece com muitas outras enzimas P450, o nível de CYP3A4 é altamente variável entre os indivíduos. Uma segunda enzima, designada CYP3A5, é encontrada em apenas aproximadamente 25% dos fígados; a base genética desse achado não foi elucidada. A importância da variabilidade CYP3A4 ou CYP3A5 como um fator nos determinantes genéticos da resposta tóxica ainda não foi estabelecida (Nebert e McKinnon 1994).

Polimorfismos Não-P450

Numerosos polimorfismos também existem dentro de outras superfamílias de enzimas metabolizadoras de xenobióticos (por exemplo, glutationa transferases, UDP glucuronosiltransferases, para-oxonases, desidrogenases, N-acetiltransferases e monooxigenases contendo flavina). Como a toxicidade final de qualquer intermediário gerado pelo P450 depende da eficiência das reações subsequentes de desintoxicação da Fase II, o papel combinado de múltiplos polimorfismos enzimáticos é importante na determinação da suscetibilidade a doenças induzidas quimicamente. O equilíbrio metabólico entre as reações de Fase I e Fase II (figura 3) é, portanto, provavelmente um fator importante em doenças humanas induzidas quimicamente e determinantes genéticos de resposta tóxica.

O polimorfismo do gene GSTM1

Um exemplo bem estudado de um polimorfismo em uma enzima de Fase II é o que envolve um membro da superfamília da enzima glutationa S-transferase, designada GST mu ou GSTM1. Esta enzima particular é de considerável interesse toxicológico porque parece estar envolvida na desintoxicação subsequente de metabólitos tóxicos produzidos a partir de produtos químicos na fumaça do cigarro pela enzima CYP1A1. O polimorfismo identificado neste gene da glutationa transferase envolve uma total ausência de enzima funcional em até metade de todos os caucasianos estudados. Essa falta de uma enzima de fase II parece estar associada ao aumento da suscetibilidade ao câncer de pulmão. Ao agrupar os indivíduos com base em ambas as variantes CYP1A1 genes e a deleção ou presença de um GSTM1 gene, foi demonstrado que o risco de desenvolver câncer de pulmão induzido pelo fumo varia significativamente (Kawajiri, Watanabe e Hayashi 1994). Em particular, indivíduos exibindo um raro CYP1A1 alteração genética, em combinação com a ausência do GSTM1 gene, apresentavam maior risco (até nove vezes) de desenvolver câncer de pulmão quando expostos a um nível relativamente baixo de fumaça de cigarro. Curiosamente, parece haver diferenças interétnicas no significado de genes variantes que necessitam de mais estudos para elucidar o papel preciso de tais alterações na suscetibilidade à doença (Kalow 1962; Nebert e McKinnon 1994; Kawajiri, Watanabe e Hayashi 1994).

Efeito sinérgico de dois ou mais polimorfismos na toxicidade resposta

Uma resposta tóxica a um agente ambiental pode ser muito exagerada pela combinação de dois defeitos farmacogenéticos no mesmo indivíduo, por exemplo, os efeitos combinados do polimorfismo N-acetiltransferase (NAT2) e do polimorfismo glicose-6-fosfato desidrogenase (G6PD). .

A exposição ocupacional a arilaminas constitui um grave risco de câncer de bexiga. Desde os elegantes estudos de Cartwright em 1954, tornou-se claro que o status do N-acetilador é um determinante do câncer de bexiga induzido por corante azo. Existe uma correlação altamente significativa entre o fenótipo do acetilador lento e a ocorrência de câncer de bexiga, bem como o grau de invasividade desse câncer na parede da bexiga. Pelo contrário, existe uma associação significativa entre o fenótipo de acetilação rápida e a incidência de carcinoma colorretal. A N-acetiltransferase (NAT1, NAT2) os genes foram clonados e sequenciados, e os ensaios baseados em DNA agora são capazes de detectar mais de uma dúzia de variantes alélicas que representam o fenótipo de acetilação lenta. o NAT2 O gene é polimórfico e responsável pela maior parte da variabilidade na resposta tóxica a produtos químicos ambientais (Weber 1987; Grant 1993).

A glicose-6-fosfato desidrogenase (G6PD) é uma enzima crítica na geração e manutenção de NADPH. A atividade G6PD baixa ou ausente pode levar a hemólise grave induzida por drogas ou xenobióticos, devido à ausência de níveis normais de glutationa reduzida (GSH) nos glóbulos vermelhos. A deficiência de G6PD afeta pelo menos 300 milhões de pessoas em todo o mundo. Mais de 10% dos homens afro-americanos exibem o fenótipo menos grave, enquanto certas comunidades da Sardenha exibem o “tipo mediterrâneo” mais grave em frequências tão altas quanto uma em cada três pessoas. o G6PD gene foi clonado e localizado no cromossomo X, e numerosas mutações pontuais diversas são responsáveis ​​pelo grande grau de heterogeneidade fenotípica observada em indivíduos deficientes em G6PD (Beutler 1992).

Descobriu-se que a tiozalsulfona, uma droga arilamina sulfa, causa uma distribuição bimodal de anemia hemolítica na população tratada. Quando tratados com certos medicamentos, os indivíduos com a combinação de deficiência de G6PD mais o fenótipo de acetilador lento são mais afetados do que aqueles com deficiência de G6PD isolada ou fenótipo de acetilação lenta isoladamente. Os acetiladores lentos deficientes em G6PD são pelo menos 40 vezes mais suscetíveis do que os acetiladores rápidos de G6PD normais à hemólise induzida por tiozalsulfona.

Efeito de polimorfismos genéticos na avaliação da exposição

A avaliação da exposição e o biomonitoramento (figura 1) também requerem informações sobre a composição genética de cada indivíduo. Dada a exposição idêntica a um produto químico perigoso, o nível de adutos de hemoglobina (ou outros biomarcadores) pode variar em duas ou três ordens de magnitude entre os indivíduos, dependendo da impressão digital metabólica de cada pessoa.

A mesma farmacogenética combinada foi estudada em trabalhadores de fábricas de produtos químicos na Alemanha (tabela 1). Os adutos de hemoglobina entre trabalhadores expostos a anilina e acetanilida são de longe os mais altos em acetiladores lentos deficientes em G6PD, em comparação com os outros possíveis fenótipos farmacogenéticos combinados. Este estudo tem implicações importantes para a avaliação da exposição. Esses dados demonstram que, embora dois indivíduos possam estar expostos ao mesmo nível ambiental de produtos químicos perigosos no local de trabalho, a quantidade de exposição (através de biomarcadores como adutos de hemoglobina) pode ser estimada em duas ou mais ordens de magnitude menor, devido à predisposição genética subjacente do indivíduo. Da mesma forma, o risco resultante de um efeito adverso à saúde pode variar em duas ou mais ordens de grandeza.

Tabela 1: Adutos de hemoglobina em trabalhadores expostos a anilina e acetanilida

estado do acetilador Deficiência de G6PD
pomposidade Devagar Não Sim adutos de Hgb
+   +   2
+     + 30
  + +   20
  +   + 100

Fonte: Adaptado de Lewalter e Korallus 1985.

Diferenças genéticas na ligação, bem como no metabolismo

Deve-se enfatizar que o mesmo caso feito aqui para o metabolismo também pode ser feito para a ligação. Diferenças hereditárias na ligação de agentes ambientais afetarão muito a resposta tóxica. Por exemplo, diferenças no mouse MDL gene pode afetar profundamente a sensibilidade individual à necrose testicular induzida por cádmio (Taylor, Heiniger e Meier 1973). Diferenças na afinidade de ligação do receptor Ah provavelmente afetam a toxicidade induzida por dioxinas e o câncer (Nebert, Petersen e Puga 1991; Nebert, Puga e Vasiliou 1993).

A Figura 5 resume o papel do metabolismo e da ligação na toxicidade e no câncer. Os agentes tóxicos, como existem no ambiente ou após o metabolismo ou ligação, provocam seus efeitos por uma via genotóxica (na qual ocorre dano ao DNA) ou uma via não genotóxica (na qual o dano ao DNA e a mutagênese não precisam ocorrer). Curiosamente, recentemente ficou claro que os agentes “clássicos” que danificam o DNA podem operar por meio de uma via de transdução de sinal não genotóxica dependente de glutationa reduzida (GSH), que é iniciada na superfície celular ou próximo a ela na ausência de DNA e fora do núcleo celular. (Devary et al. 1993). As diferenças genéticas no metabolismo e na ligação permanecem, no entanto, como os principais determinantes no controle de diferentes respostas tóxicas individuais.

Figura 5. Os meios gerais pelos quais a toxicidade ocorre

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Papel da Função Celular da Enzima Metabolizadora de Drogas

A variação de base genética na função da enzima metabolizadora de drogas é de grande importância na determinação da resposta individual a produtos químicos. Essas enzimas são essenciais para determinar o destino e o curso do tempo de uma substância química estranha após a exposição.

Conforme ilustrado na figura 5, a importância das enzimas metabolizadoras de drogas na suscetibilidade individual à exposição química pode, de fato, apresentar uma questão muito mais complexa do que é evidente a partir desta simples discussão do metabolismo xenobiótico. Em outras palavras, durante as últimas duas décadas, os mecanismos genotóxicos (medidas de adutos de DNA e adutos de proteínas) têm sido muito enfatizados. No entanto, e se os mecanismos não genotóxicos forem pelo menos tão importantes quanto os mecanismos genotóxicos em causar respostas tóxicas?

Como mencionado anteriormente, os papéis fisiológicos de muitas enzimas metabolizadoras de drogas envolvidas no metabolismo xenobiótico não foram definidos com precisão. Nebert (1994) propôs que, devido à sua presença neste planeta por mais de 3.5 bilhões de anos, as enzimas metabolizadoras de drogas foram originalmente (e agora ainda são principalmente) responsáveis ​​por regular os níveis celulares de muitos ligantes não peptídicos importantes na ativação transcricional. de genes que afetam o crescimento, diferenciação, apoptose, homeostase e funções neuroendócrinas. Além disso, a toxicidade da maioria, se não de todos, os agentes ambientais ocorre por meio de Agonista or antagonista ação nessas vias de transdução de sinal (Nebert 1994). Com base nessa hipótese, a variabilidade genética nas enzimas metabolizadoras de drogas pode ter efeitos bastante dramáticos em muitos processos bioquímicos críticos dentro da célula, levando assim a diferenças importantes na resposta tóxica. É realmente possível que tal cenário também esteja por trás de muitas reações adversas idiossincráticas encontradas em pacientes que usam medicamentos comumente prescritos.

Conclusões

A última década assistiu a um progresso notável em nossa compreensão da base genética da resposta diferencial a produtos químicos em drogas, alimentos e poluentes ambientais. As enzimas metabolizadoras de drogas têm uma profunda influência na forma como os seres humanos respondem aos produtos químicos. À medida que nossa consciência da multiplicidade de enzimas metabolizadoras de drogas continua a evoluir, somos cada vez mais capazes de fazer avaliações aprimoradas do risco tóxico de muitas drogas e produtos químicos ambientais. Isso talvez seja mais claramente ilustrado no caso da enzima CYP2D6 citocromo P450. Usando testes relativamente simples baseados em DNA, é possível prever a resposta provável de qualquer droga predominantemente metabolizada por essa enzima; essa previsão garantirá o uso mais seguro de medicamentos valiosos, mas potencialmente tóxicos.

Sem dúvida, o futuro verá uma explosão na identificação de outros polimorfismos (fenótipos) envolvendo enzimas metabolizadoras de drogas. Essas informações serão acompanhadas por testes baseados em DNA minimamente invasivos para identificar genótipos em populações humanas.

Tais estudos devem ser particularmente informativos na avaliação do papel dos produtos químicos nas muitas doenças ambientais de origem atualmente desconhecida. A consideração de múltiplos polimorfismos de enzimas metabolizadoras de drogas, em combinação (por exemplo, tabela 1), provavelmente também representa uma área de pesquisa particularmente fértil. Esses estudos esclarecerão o papel dos produtos químicos na causa dos cânceres. Coletivamente, essas informações devem permitir a formulação de conselhos cada vez mais individualizados sobre como evitar produtos químicos que possam ser uma preocupação individual. Este é o campo da toxicologia preventiva. Tal conselho, sem dúvida, ajudará muito todos os indivíduos a lidar com a carga química cada vez maior a que estamos expostos.

 

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Domingo, janeiro 16 2011 16: 18

Introdução e Conceitos

A toxicologia mecanicista é o estudo de como agentes químicos ou físicos interagem com organismos vivos para causar toxicidade. O conhecimento do mecanismo de toxicidade de uma substância aumenta a capacidade de prevenir a toxicidade e projetar produtos químicos mais desejáveis; constitui a base para a terapia de superexposição e freqüentemente permite uma maior compreensão dos processos biológicos fundamentais. Para fins deste enciclopédia a ênfase será colocada em animais para prever a toxicidade humana. Diferentes áreas da toxicologia incluem toxicologia mecanicista, descritiva, regulatória, forense e ambiental (Klaassen, Amdur e Doull 1991). Todos eles se beneficiam da compreensão dos mecanismos fundamentais da toxicidade.

Por que entender os mecanismos de toxicidade?

Compreender o mecanismo pelo qual uma substância causa toxicidade aprimora diferentes áreas da toxicologia de maneiras diferentes. A compreensão mecanicista ajuda o regulador governamental a estabelecer limites seguros legalmente obrigatórios para a exposição humana. Ele ajuda os toxicologistas a recomendar cursos de ação em relação à limpeza ou remediação de locais contaminados e, juntamente com as propriedades físicas e químicas da substância ou mistura, pode ser usado para selecionar o grau de equipamento de proteção necessário. O conhecimento mecanicista também é útil para formar a base da terapia e o projeto de novos medicamentos para o tratamento de doenças humanas. Para o toxicologista forense, o mecanismo de toxicidade geralmente fornece informações sobre como um agente químico ou físico pode causar morte ou incapacitação.

Se o mecanismo de toxicidade for compreendido, a toxicologia descritiva torna-se útil para prever os efeitos tóxicos de produtos químicos relacionados. É importante entender, no entanto, que a falta de informações mecanísticas não impede os profissionais de saúde de proteger a saúde humana. Decisões prudentes baseadas em estudos com animais e na experiência humana são usadas para estabelecer níveis seguros de exposição. Tradicionalmente, uma margem de segurança foi estabelecida usando o “nível de nenhum efeito adverso” ou um “nível de efeito adverso mais baixo” de estudos em animais (usando projetos de exposição repetida) e dividindo esse nível por um fator de 100 para exposição ocupacional ou 1,000 para exposição ocupacional. outra exposição ambiental humana. O sucesso desse processo é evidente a partir dos poucos incidentes de efeitos adversos à saúde atribuídos à exposição a produtos químicos em trabalhadores onde os limites de exposição apropriados foram estabelecidos e respeitados no passado. Além disso, o tempo de vida humano continua a aumentar, assim como a qualidade de vida. Em geral, o uso de dados de toxicidade levou a um controle regulamentar e voluntário eficaz. O conhecimento detalhado dos mecanismos tóxicos aumentará a previsibilidade dos novos modelos de risco atualmente em desenvolvimento e resultará em melhoria contínua.

A compreensão dos mecanismos ambientais é complexa e pressupõe o conhecimento da perturbação e homeostase (equilíbrio) do ecossistema. Embora não discutido neste artigo, uma compreensão aprimorada dos mecanismos tóxicos e suas consequências finais em um ecossistema ajudaria os cientistas a tomar decisões prudentes sobre o manuseio de resíduos municipais e industriais. A gestão de resíduos é uma área de pesquisa em crescimento e continuará a ser muito importante no futuro.

Técnicas para estudar mecanismos de toxicidade

A maioria dos estudos mecanísticos começa com um estudo toxicológico descritivo em animais ou observações clínicas em humanos. Idealmente, os estudos em animais incluem observações comportamentais e clínicas cuidadosas, exame bioquímico cuidadoso de elementos do sangue e da urina para sinais de função adversa dos principais sistemas biológicos do corpo e uma avaliação post-mortem de todos os sistemas de órgãos por exame microscópico para verificar se há lesões (consulte as diretrizes de teste da OCDE; diretivas da CE sobre avaliação química; regras de teste da EPA dos EUA; regulamentos de produtos químicos do Japão). Isso é análogo a um exame físico humano completo que ocorreria em um hospital durante um período de dois a três dias, exceto para o exame post-mortem.

Compreender os mecanismos de toxicidade é a arte e a ciência da observação, criatividade na seleção de técnicas para testar várias hipóteses e integração inovadora de sinais e sintomas em uma relação causal. Os estudos mecanísticos começam com a exposição, seguem a distribuição relacionada ao tempo e o destino no corpo (farmacocinética) e medem o efeito tóxico resultante em algum nível do sistema e em algum nível de dose. Diferentes substâncias podem atuar em diferentes níveis do sistema biológico causando toxicidade.

Exposição

A rota de exposição em estudos mecanísticos é geralmente a mesma da exposição humana. A rota é importante porque pode haver efeitos que ocorrem localmente no local da exposição, além de efeitos sistêmicos após a substância química ter sido absorvida pelo sangue e distribuída por todo o corpo. Um exemplo simples, mas convincente, de um efeito local seria a irritação e eventual corrosão da pele após a aplicação de soluções ácidas ou alcalinas fortes projetadas para limpar superfícies duras. Da mesma forma, irritação e morte celular podem ocorrer nas células que revestem o nariz e/ou os pulmões após a exposição a vapores ou gases irritantes, como óxidos de nitrogênio ou ozônio. (Ambos são constituintes da poluição do ar, ou smog). Após a absorção de um produto químico no sangue através da pele, pulmões ou trato gastrointestinal, a concentração em qualquer órgão ou tecido é controlada por muitos fatores que determinam a farmacocinética do produto químico no corpo. O corpo tem a capacidade de ativar e desintoxicar vários produtos químicos, conforme observado abaixo.

Papel da Farmacocinética na Toxicidade

A farmacocinética descreve as relações de tempo para absorção química, distribuição, metabolismo (alterações bioquímicas no corpo) e eliminação ou excreção do corpo. Em relação aos mecanismos de toxicidade, essas variáveis ​​farmacocinéticas podem ser muito importantes e, em alguns casos, determinar se a toxicidade ocorrerá ou não. Por exemplo, se um material não for absorvido em quantidade suficiente, não ocorrerá toxicidade sistêmica (dentro do corpo). Por outro lado, um produto químico altamente reativo que é desintoxicado rapidamente (segundos ou minutos) por enzimas digestivas ou hepáticas pode não ter tempo para causar toxicidade. Algumas substâncias e misturas halogenadas policíclicas, bem como certos metais como o chumbo, não causariam toxicidade significativa se a excreção fosse rápida; mas o acúmulo em níveis suficientemente altos determina sua toxicidade, uma vez que a excreção não é rápida (às vezes medida em anos). Felizmente, a maioria dos produtos químicos não tem uma retenção tão longa no corpo. A acumulação de um material inócuo ainda não induziria toxicidade. A taxa de eliminação do corpo e desintoxicação é frequentemente referida como a meia-vida do produto químico, que é o tempo para 50% do produto químico ser excretado ou alterado para uma forma não tóxica.

No entanto, se um produto químico se acumula em uma determinada célula ou órgão, isso pode sinalizar um motivo para examinar mais detalhadamente sua potencial toxicidade nesse órgão. Mais recentemente, modelos matemáticos foram desenvolvidos para extrapolar variáveis ​​farmacocinéticas de animais para humanos. Esses modelos farmacocinéticos são extremamente úteis para gerar hipóteses e testar se o animal experimental pode ser uma boa representação para humanos. Numerosos capítulos e textos foram escritos sobre este assunto (Gehring et al. 1976; Reitz et al. 1987; Nolan et al. 1995). Um exemplo simplificado de um modelo fisiológico é representado na figura 1.

Figura 1. Um modelo farmacocinético simplificado

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Diferentes níveis e sistemas podem ser afetados adversamente

A toxicidade pode ser descrita em diferentes níveis biológicos. A lesão pode ser avaliada na pessoa como um todo (ou animal), no sistema orgânico, na célula ou na molécula. Os sistemas de órgãos incluem os sistemas imunológico, respiratório, cardiovascular, renal, endócrino, digestivo, musculoesquelético, sanguíneo, reprodutivo e nervoso central. Alguns órgãos-chave incluem o fígado, rim, pulmão, cérebro, pele, olhos, coração, testículos ou ovários e outros órgãos importantes. No nível celular/bioquímico, os efeitos adversos incluem interferência com a função normal da proteína, função do receptor endócrino, inibição da energia metabólica ou inibição ou indução de enzimas xenobióticas (substâncias estranhas). Os efeitos adversos no nível molecular incluem alteração da função normal da transcrição do DNA-RNA, da ligação específica do receptor citoplasmático e nuclear e dos genes ou produtos gênicos. Em última análise, a disfunção em um sistema de órgão principal é provavelmente causada por uma alteração molecular em uma célula-alvo específica dentro desse órgão. No entanto, nem sempre é possível rastrear um mecanismo de volta a uma origem molecular de causalidade, nem é necessário. A intervenção e a terapia podem ser planejadas sem uma compreensão completa do alvo molecular. No entanto, o conhecimento sobre o mecanismo específico de toxicidade aumenta o valor preditivo e a precisão da extrapolação para outros produtos químicos. A Figura 2 é uma representação esquemática dos vários níveis onde a interferência de processos fisiológicos normais pode ser detectada. As setas indicam que as consequências para um indivíduo podem ser determinadas de cima para baixo (exposição, farmacocinética à toxicidade do sistema/órgão) ou de baixo para cima (alteração molecular, efeito celular/bioquímico para toxicidade do sistema/órgão).

Figura 2. Representação dos mecanismos de toxicidade

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Exemplos de Mecanismos de Toxicidade

Os mecanismos de toxicidade podem ser diretos ou muito complexos. Freqüentemente, há uma diferença entre o tipo de toxicidade, o mecanismo de toxicidade e o nível do efeito, relacionado a se os efeitos adversos são devidos a uma única dose aguda alta (como um envenenamento acidental) ou a uma dose mais baixa exposição repetida (de exposição ocupacional ou ambiental). Classicamente, para fins de teste, uma dose única alta aguda é administrada por intubação direta no estômago de um roedor ou exposição a uma atmosfera de gás ou vapor por duas a quatro horas, o que melhor se assemelhar à exposição humana. Os animais são observados durante um período de duas semanas após a exposição e, em seguida, os principais órgãos externos e internos são examinados quanto a lesões. O teste de dose repetida varia de meses a anos. Para espécies de roedores, dois anos é considerado um estudo crônico (durante toda a vida) suficiente para avaliar toxicidade e carcinogenicidade, enquanto para primatas não humanos, dois anos seriam considerados um estudo subcrônico (menos que uma vida inteira) para avaliar toxicidade de dose repetida. Após a exposição, é realizado um exame completo de todos os tecidos, órgãos e fluidos para determinar quaisquer efeitos adversos.

Mecanismos de Toxicidade Aguda

Os exemplos a seguir são específicos para efeitos agudos de altas doses que podem levar à morte ou incapacitação grave. No entanto, em alguns casos, a intervenção resultará em efeitos transitórios e totalmente reversíveis. A dose ou gravidade da exposição determinará o resultado.

Asfixiantes simples. O mecanismo de toxicidade para gases inertes e algumas outras substâncias não reativas é a falta de oxigênio (anoxia). Esses produtos químicos, que causam privação de oxigênio no sistema nervoso central (SNC), são denominados asfixiantes simples. Se uma pessoa entra em um espaço fechado que contém nitrogênio sem oxigênio suficiente, ocorre uma depleção imediata de oxigênio no cérebro e leva à inconsciência e eventual morte se a pessoa não for removida rapidamente. Em casos extremos (próximo de oxigênio zero), a inconsciência pode ocorrer em poucos segundos. O resgate depende da rápida remoção para um ambiente oxigenado. A sobrevida com dano cerebral irreversível pode ocorrer a partir do resgate tardio, devido à morte de neurônios, que não conseguem se regenerar.

Asfixiantes químicos. O monóxido de carbono (CO) compete com o oxigênio pela ligação à hemoglobina (nos glóbulos vermelhos) e, portanto, priva os tecidos de oxigênio para o metabolismo energético; morte celular pode resultar. A intervenção inclui a remoção da fonte de CO e o tratamento com oxigênio. O uso direto do oxigênio é baseado na ação tóxica do CO. Outro potente asfixiante químico é o cianeto. O íon cianeto interfere no metabolismo celular e na utilização de oxigênio para energia. O tratamento com nitrito de sódio provoca uma alteração da hemoglobina nos glóbulos vermelhos para metahemoglobina. A metahemoglobina tem maior afinidade de ligação com o íon cianeto do que o alvo celular do cianeto. Consequentemente, a metahemoglobina se liga ao cianeto e mantém o cianeto longe das células-alvo. Isso forma a base para a terapia antídoto.

Depressores do sistema nervoso central (SNC). A toxicidade aguda é caracterizada por sedação ou inconsciência para uma série de materiais como solventes que não são reativos ou que são transformados em intermediários reativos. Supõe-se que a sedação/anestesia se deva a uma interação do solvente com as membranas das células do SNC, o que prejudica sua capacidade de transmitir sinais elétricos e químicos. Embora a sedação possa parecer uma forma leve de toxicidade e tenha sido a base para o desenvolvimento dos primeiros anestésicos, “a dose ainda faz o veneno”. Se uma dose suficiente for administrada por ingestão ou inalação, o animal pode morrer devido a parada respiratória. Se a morte anestésica não ocorrer, esse tipo de toxicidade geralmente é prontamente reversível quando o indivíduo é removido do ambiente ou o produto químico é redistribuído ou eliminado do corpo.

Efeitos de pele. Os efeitos adversos na pele podem variar de irritação a corrosão, dependendo da substância encontrada. Ácidos fortes e soluções alcalinas são incompatíveis com tecidos vivos e são corrosivos, causando queimaduras químicas e possíveis cicatrizes. A cicatrização ocorre devido à morte das células dérmicas profundas da pele, responsáveis ​​pela regeneração. Concentrações mais baixas podem apenas causar irritação da primeira camada da pele.

Outro mecanismo tóxico específico da pele é o da sensibilização química. Por exemplo, a sensibilização ocorre quando o 2,4-dinitroclorobenzeno se liga a proteínas naturais da pele e o sistema imunológico reconhece o complexo ligado à proteína alterado como um material estranho. Ao responder a esse material estranho, o sistema imunológico ativa células especiais para eliminar a substância estranha por meio da liberação de mediadores (citocinas) que causam erupção cutânea ou dermatite (consulte “Imunotoxicologia”). Esta é a mesma reação do sistema imunológico quando ocorre a exposição à hera venenosa. A sensibilização imune é muito específica para o produto químico em particular e leva pelo menos duas exposições antes que uma resposta seja eliciada. A primeira exposição sensibiliza (configura as células para reconhecer o produto químico) e as exposições subsequentes desencadeiam a resposta do sistema imunológico. A remoção do contato e a terapia sintomática com cremes anti-inflamatórios contendo esteróides geralmente são eficazes no tratamento de indivíduos sensibilizados. Em casos graves ou refratários, um imunossupressor de ação sistêmica, como a prednisona, é usado em conjunto com o tratamento tópico.

Sensibilização pulmonar. Uma resposta de sensibilização imune é provocada por diisocianato de tolueno (TDI), mas o local-alvo são os pulmões. A superexposição ao TDI em indivíduos suscetíveis causa edema pulmonar (acúmulo de líquido), constrição brônquica e respiração prejudicada. Esta é uma condição séria e requer a remoção do indivíduo de possíveis exposições subsequentes. O tratamento é principalmente sintomático. A sensibilização da pele e dos pulmões segue uma resposta à dose. Exceder o nível estabelecido para exposição ocupacional pode causar efeitos adversos.

Efeitos oculares. As lesões oculares variam desde o avermelhamento da camada externa (vermelhidão da piscina) até a formação de catarata da córnea e danos à íris (parte colorida do olho). Os testes de irritação ocular são realizados quando se acredita que não ocorrerão ferimentos graves. Muitos dos mecanismos que causam a corrosão da pele também podem causar lesões nos olhos. Materiais corrosivos à pele, como ácidos fortes (pH menor que 2) e álcalis (pH maior que 11.5), não são testados nos olhos de animais porque a maioria causará corrosão e cegueira devido a um mecanismo semelhante ao que causa a corrosão da pele . Além disso, agentes ativos de superfície, como detergentes e surfactantes, podem causar lesões oculares, desde irritação até corrosão. Um grupo de materiais que requer cautela são os surfactantes carregados positivamente (catiônicos), que podem causar queimaduras, opacidade permanente da córnea e vascularização (formação de vasos sanguíneos). Outra substância química, o dinitrofenol, tem um efeito específico na formação de catarata. Isso parece estar relacionado à concentração dessa substância química no olho, que é um exemplo de especificidade de distribuição farmacocinética.

Embora a lista acima esteja longe de ser exaustiva, ela é projetada para dar ao leitor uma apreciação de vários mecanismos de toxicidade aguda.

Mecanismos de Toxicidade Subcrônica e Crônica

Quando administrados em dose alta única, alguns produtos químicos não apresentam o mesmo mecanismo de toxicidade de quando administrados repetidamente em doses menores, mas ainda tóxicas. Quando uma única dose alta é administrada, há sempre a possibilidade de exceder a capacidade da pessoa de desintoxicar ou excretar o produto químico, e isso pode levar a uma resposta tóxica diferente do que quando doses repetidas mais baixas são administradas. O álcool é um bom exemplo. Altas doses de álcool levam a efeitos primários no sistema nervoso central, enquanto baixas doses repetitivas resultam em lesão hepática.

Inibição da anticolinesterase. A maioria dos pesticidas organofosforados, por exemplo, tem pouca toxicidade para mamíferos até que sejam metabolicamente ativados, principalmente no fígado. O principal mecanismo de ação dos organofosforados é a inibição da acetilcolinesterase (AChE) no cérebro e no sistema nervoso periférico. AChE é a enzima normal que termina a estimulação do neurotransmissor acetilcolina. A leve inibição da AChE por um período prolongado não foi associada a efeitos adversos. Em altos níveis de exposição, a incapacidade de terminar esta estimulação neuronal resulta em superestimulação do sistema nervoso colinérgico. A superestimulação colinérgica acaba resultando em uma série de sintomas, incluindo parada respiratória, seguida de morte se não for tratada. O tratamento primário é a administração de atropina, que bloqueia os efeitos da acetilcolina, e a administração de cloreto de pralidoxima, que reativa a AChE inibida. Portanto, tanto a causa quanto o tratamento da toxicidade do organofosforado são abordados pela compreensão da base bioquímica da toxicidade.

ativação metabólica. Muitos produtos químicos, incluindo tetracloreto de carbono, clorofórmio, acetilaminofluoreno, nitrosaminas e paraquat são metabolicamente ativados em radicais livres ou outros intermediários reativos que inibem e interferem na função celular normal. Em altos níveis de exposição, isso resulta em morte celular (consulte “Lesão celular e morte celular”). Embora as interações específicas e os alvos celulares permaneçam desconhecidos, os sistemas de órgãos que têm a capacidade de ativar essas substâncias químicas, como fígado, rim e pulmão, são todos alvos potenciais para lesões. Especificamente, determinadas células dentro de um órgão têm uma capacidade maior ou menor de ativar ou desintoxicar esses intermediários, e essa capacidade determina a suscetibilidade intracelular dentro de um órgão. O metabolismo é uma das razões pelas quais a compreensão da farmacocinética, que descreve esses tipos de transformações e a distribuição e eliminação desses intermediários, é importante para reconhecer o mecanismo de ação desses produtos químicos.

Mecanismos do câncer. O câncer é uma multiplicidade de doenças e, embora a compreensão de certos tipos de câncer esteja aumentando rapidamente devido às muitas técnicas de biologia molecular desenvolvidas desde 1980, ainda há muito a aprender. No entanto, está claro que o desenvolvimento do câncer é um processo de vários estágios, e genes críticos são a chave para diferentes tipos de câncer. Alterações no DNA (mutações somáticas) em vários desses genes críticos podem causar aumento da suscetibilidade ou lesões cancerígenas (consulte “Toxicologia genética”). A exposição a produtos químicos naturais (em alimentos cozidos como carne e peixe) ou produtos químicos sintéticos (como benzidina, usada como corante) ou agentes físicos (luz ultravioleta do sol, radônio do solo, radiação gama de procedimentos médicos ou atividades industriais) são todos contribuintes para mutações genéticas somáticas. No entanto, existem substâncias naturais e sintéticas (como antioxidantes) e processos de reparo do DNA que são protetores e mantêm a homeostase. É claro que a genética é um fator importante no câncer, uma vez que síndromes de doenças genéticas como xeroderma pigmentoso, onde há uma falta de reparo normal do DNA, aumentam dramaticamente a suscetibilidade ao câncer de pele devido à exposição à luz ultravioleta do sol.

Mecanismos reprodutivos. Semelhante ao câncer, muitos mecanismos de toxicidade reprodutiva e/ou de desenvolvimento são conhecidos, mas há muito a ser aprendido. Sabe-se que certos vírus (como a rubéola), infecções bacterianas e medicamentos (como a talidomida e a vitamina A) afetarão adversamente o desenvolvimento. Recentemente, o trabalho de Khera (1991), revisado por Carney (1994), mostra boas evidências de que os efeitos anormais no desenvolvimento em testes com animais com etileno glicol são atribuíveis a metabólitos ácidos metabólicos maternos. Isso ocorre quando o etileno glicol é metabolizado em metabólitos ácidos, incluindo ácido glicólico e oxálico. Os efeitos subsequentes na placenta e no feto parecem ser devidos a este processo de intoxicação metabólica.

Conclusão

A intenção deste artigo é dar uma perspectiva sobre vários mecanismos conhecidos de toxicidade e a necessidade de estudos futuros. É importante entender que o conhecimento mecanicista não é absolutamente necessário para proteger a saúde humana ou ambiental. Esse conhecimento aumentará a capacidade do profissional de prever e gerenciar melhor a toxicidade. As técnicas reais usadas na elucidação de qualquer mecanismo particular dependem do conhecimento coletivo dos cientistas e do pensamento daqueles que tomam decisões sobre a saúde humana.

 

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Domingo, janeiro 16 2011 16: 29

Lesão Celular e Morte Celular

Praticamente toda a medicina é dedicada a prevenir a morte celular, em doenças como infarto do miocárdio, acidente vascular cerebral, trauma e choque, ou causá-la, como no caso de doenças infecciosas e câncer. É, portanto, essencial entender a natureza e os mecanismos envolvidos. A morte celular tem sido classificada como “acidental”, isto é, causada por agentes tóxicos, isquemia e outros, ou “programada”, como ocorre durante o desenvolvimento embriológico, incluindo formação de dígitos e reabsorção da cauda do girino.

A lesão celular e a morte celular são, portanto, importantes tanto na fisiologia quanto na fisiopatologia. A morte celular fisiológica é extremamente importante durante a embriogênese e o desenvolvimento embrionário. O estudo da morte celular durante o desenvolvimento trouxe importantes e novas informações sobre a genética molecular envolvida, especialmente através do estudo do desenvolvimento em animais invertebrados. Nesses animais, a localização precisa e o significado das células destinadas à morte celular foram cuidadosamente estudados e, com o uso de técnicas clássicas de mutagênese, vários genes envolvidos já foram identificados. Nos órgãos adultos, o equilíbrio entre a morte celular e a proliferação celular controla o tamanho do órgão. Em alguns órgãos, como a pele e o intestino, há uma renovação contínua das células. Na pele, por exemplo, as células se diferenciam à medida que atingem a superfície e, finalmente, sofrem diferenciação terminal e morte celular à medida que a queratinização prossegue com a formação de envelopes reticulados.

Muitas classes de produtos químicos tóxicos são capazes de induzir lesão celular aguda seguida de morte. Estes incluem anóxia e isquemia e seus análogos químicos, como cianeto de potássio; carcinógenos químicos, que formam eletrófilos que se ligam covalentemente a proteínas em ácidos nucléicos; produtos químicos oxidantes, resultando na formação de radicais livres e danos oxidantes; ativação do complemento; e uma variedade de ionóforos de cálcio. A morte celular também é um componente importante da carcinogênese química; muitos carcinógenos químicos completos, em doses carcinogênicas, produzem necrose aguda e inflamação seguida de regeneração e pré-neoplasia.

Definições

lesão celular

A lesão celular é definida como um evento ou estímulo, como um produto químico tóxico, que perturba a homeostase normal da célula, causando assim a ocorrência de vários eventos (figura 1). Os principais alvos de lesão letal ilustrados são a inibição da síntese de ATP, a ruptura da integridade da membrana plasmática ou a retirada de fatores de crescimento essenciais.

Figura 1. Lesão celular

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Lesões letais resultam na morte de uma célula após um período de tempo variável, dependendo da temperatura, do tipo de célula e do estímulo; ou podem ser subletais ou crônicos - isto é, a lesão resulta em um estado homeostático alterado que, embora anormal, não resulta em morte celular (Trump e Arstila 1971; Trump e Berezesky 1992; Trump e Berezesky 1995; Trump, Berezesky e Osórnio-Vargas 1981). No caso de uma lesão letal, há uma fase anterior ao momento da morte celular

durante esse tempo, a célula se recuperará; entretanto, após um determinado ponto no tempo (o “ponto sem retorno” ou ponto de morte celular), a remoção da lesão não resulta em recuperação, mas a célula sofre degradação e hidrólise, atingindo finalmente o equilíbrio físico-químico com o meio Ambiente. Esta é a fase conhecida como necrose. Durante a fase pré-letal, vários tipos principais de mudança ocorrem, dependendo da célula e do tipo de lesão. Estes são conhecidos como apoptose e oncose.

 

 

 

 

 

Apoptosis

Apoptose é derivado das palavras gregas apo, significando longe de, e ptose, significando cair. O termo caindo longe de deriva do fato de que, durante esse tipo de alteração pré-letal, as células encolhem e sofrem bolhas acentuadas na periferia. As bolhas então se desprendem e flutuam. A apoptose ocorre em uma variedade de tipos de células após vários tipos de lesão tóxica (Wyllie, Kerr e Currie 1980). É especialmente proeminente nos linfócitos, onde é o mecanismo predominante para renovação de clones de linfócitos. Os fragmentos resultantes resultam nos corpos basofílicos vistos dentro dos macrófagos nos gânglios linfáticos. Em outros órgãos, a apoptose ocorre tipicamente em células únicas que são rapidamente eliminadas antes e após a morte por fagocitose dos fragmentos por células parenquimatosas adjacentes ou por macrófagos. A apoptose que ocorre em células únicas com subsequente fagocitose normalmente não resulta em inflamação. Antes da morte, as células apoptóticas apresentam um citosol muito denso com mitocôndrias normais ou condensadas. O retículo endoplasmático (ER) é normal ou apenas ligeiramente dilatado. A cromatina nuclear é marcadamente agrupada ao longo do envelope nuclear e ao redor do nucléolo. O contorno nuclear também é irregular e ocorre fragmentação nuclear. A condensação da cromatina está associada à fragmentação do DNA que, em muitos casos, ocorre entre os nucleossomos, dando uma aparência característica de escada na eletroforese.

Na apoptose, aumentou [Ca2+]i pode estimular K+ efluxo resultando em encolhimento celular, o que provavelmente requer ATP. Lesões que inibem totalmente a síntese de ATP, portanto, têm maior probabilidade de resultar em apoptose. Um aumento sustentado de [Ca2+]i tem uma série de efeitos deletérios, incluindo a ativação de proteases, endonucleases e fosfolipases. A ativação da endonuclease resulta em quebras simples e duplas de DNA que, por sua vez, estimulam níveis aumentados de p53 e na poli-ADP ribosilação, e de proteínas nucleares essenciais no reparo do DNA. A ativação de proteases modifica uma série de substratos, incluindo actina e proteínas relacionadas, levando à formação de bolhas. Outro substrato importante é a poli(ADP-ribose) polimerase (PARP), que inibe o reparo do DNA. Aumentou [Ca2+]i também está associada à ativação de várias proteínas quinases, como MAP quinase, calmodulina quinase e outras. Essas quinases estão envolvidas na ativação de fatores de transcrição que iniciam a transcrição de genes precoces imediatos, por exemplo, c-fos, c-jun e c-myc, e na ativação da fosfolipase A2 que resulta na permeabilização da membrana plasmática e das membranas intracelulares, como a membrana interna da mitocôndria.

oncose

Oncose, derivado da palavra grega É s, inchar, é assim chamado porque neste tipo de alteração pré-letal a célula começa a inchar quase imediatamente após a lesão (Majno e Joris 1995). A razão para o inchaço é um aumento de cátions na água dentro da célula. O principal cátion responsável é o sódio, que normalmente é regulado para manter o volume celular. No entanto, na ausência de ATP ou se a Na-ATPase do plasmalema for inibida, o controle do volume é perdido devido à proteína intracelular e o sódio na água continua a aumentar. Entre os eventos precoces na oncose estão, portanto, o aumento da [Na+]i que leva ao inchaço celular e aumento da [Ca2+]i resultante do influxo do espaço extracelular ou da liberação dos estoques intracelulares. Isso resulta em inchaço do citosol, inchaço do retículo endoplasmático e do aparelho de Golgi e na formação de bolhas aquosas ao redor da superfície celular. As mitocôndrias inicialmente sofrem condensação, mas depois elas também mostram um inchaço de alta amplitude devido a danos na membrana mitocondrial interna. Nesse tipo de alteração pré-letal, a cromatina sofre condensação e, por fim, degradação; no entanto, o padrão de escada característico da apoptose não é observado.

Necrose

Necrose refere-se à série de alterações que ocorrem após a morte celular, quando a célula é convertida em detritos que normalmente são removidos pela resposta inflamatória. Dois tipos podem ser distinguidos: necrose oncótica e necrose apoptótica. A necrose oncótica geralmente ocorre em grandes zonas, por exemplo, em um infarto do miocárdio ou regionalmente em um órgão após toxicidade química, como o túbulo renal proximal após a administração de HgCl2. Amplas zonas de um órgão estão envolvidas e as células necróticas rapidamente incitam uma reação inflamatória, primeiro aguda e depois crônica. No caso de o organismo sobreviver, em muitos órgãos a necrose é seguida pela eliminação das células mortas e regeneração, por exemplo, no fígado ou rim após toxicidade química. Em contraste, a necrose apoptótica ocorre tipicamente em uma única célula e os detritos necróticos são formados dentro dos fagócitos de macrófagos ou células parenquimatosas adjacentes. As primeiras características das células necróticas incluem interrupções na continuidade da membrana plasmática e o aparecimento de densidades floculentas, representando proteínas desnaturadas dentro da matriz mitocondrial. Em algumas formas de lesão que inicialmente não interferem no acúmulo mitocondrial de cálcio, depósitos de fosfato de cálcio podem ser vistos dentro da mitocôndria. Outros sistemas de membrana são fragmentados de forma semelhante, como o RE, os lisossomos e o aparelho de Golgi. Por fim, a cromatina nuclear sofre lise, resultante do ataque das hidrolases lisossômicas. Após a morte celular, as hidrolases lisossômicas desempenham um papel importante na remoção de detritos com catepsinas, nucleolases e lipases, uma vez que estas têm um pH ácido ótimo e podem sobreviver ao baixo pH das células necróticas, enquanto outras enzimas celulares são desnaturadas e inativadas.

Mecanismos

estímulo inicial

No caso de lesões letais, as interações iniciais mais comuns que resultam em lesões que levam à morte celular são a interferência no metabolismo energético, como anoxia, isquemia ou inibidores da respiração, e glicólise, como cianeto de potássio, monóxido de carbono, iodo-acetato e em breve. Como mencionado acima, altas doses de compostos que inibem o metabolismo energético normalmente resultam em oncose. O outro tipo comum de lesão inicial que resulta em morte celular aguda é a modificação da função da membrana plasmática (Trump e Arstila 1971; Trump, Berezesky e Osornio-Vargas 1981). Isso pode ser dano direto e permeabilização, como no caso de trauma ou ativação do complexo C5b-C9 do complemento, dano mecânico à membrana celular ou inibição do sódio-potássio (Na+-K+) bomba com glicosídeos como ouabaína. Ionóforos de cálcio, como ionomicina ou A23187, que transportam rapidamente [Ca2+] descendo o gradiente para dentro da célula, também causam lesões letais agudas. Em alguns casos, o padrão na alteração pré-letal é a apoptose; em outros, é oncose.

Vias de sinalização

Com muitos tipos de lesão, a respiração mitocondrial e a fosforilação oxidativa são rapidamente afetadas. Em algumas células, isso estimula a glicólise anaeróbia, que é capaz de manter o ATP, mas em muitas lesões isso é inibido. A falta de ATP resulta na incapacidade de energizar vários processos homeostáticos importantes, em particular, o controle da homeostase iônica intracelular (Trump e Berezesky 1992; Trump, Berezesky e Osornio-Vargas 1981). Isso resulta em aumentos rápidos de [Ca2+]i, e aumentou [Na+] e [Cl-] resulta em inchaço celular. Aumentos em [Ca2+]i resultam na ativação de vários outros mecanismos de sinalização discutidos abaixo, incluindo uma série de quinases, que podem resultar em aumento imediato da transcrição precoce de genes. Aumentou [Ca2+]i também modifica a função do citoesqueleto, resultando em parte na formação de bolhas e na ativação de endonucleases, proteases e fosfolipases. Estes parecem desencadear muitos dos efeitos importantes discutidos acima, como danos à membrana através da ativação de protease e lipase, degradação direta do DNA pela ativação de endonuclease e ativação de quinases como MAP quinase e calmodulina quinase, que atuam como fatores de transcrição.

Através de um extenso trabalho de desenvolvimento em invertebrados C. elegans e Drosophila, assim como células humanas e animais, uma série de genes pró-morte foram identificados. Descobriu-se que alguns desses genes de invertebrados têm contrapartes de mamíferos. Por exemplo, o gene ced-3, essencial para a morte celular programada em C. elegans, tem atividade de protease e uma forte homologia com a enzima de conversão de interleucina (ICE) de mamíferos. Um gene intimamente relacionado chamado apopaína ou prICE foi recentemente identificado com uma homologia ainda mais estreita (Nicholson et al. 1995). No Drosophila, o gene reaper parece estar envolvido em um sinal que leva à morte celular programada. Outros genes pró-morte incluem a proteína de membrana Fas e o importante gene supressor de tumor, p53, que é amplamente conservado. A p53 é induzida no nível da proteína após o dano ao DNA e quando fosforilada atua como um fator de transcrição para outros genes, como gadd45 e waf-1, que estão envolvidos na sinalização da morte celular. Outros genes precoces imediatos, como c-fos, c-jun e c-myc, também parecem estar envolvidos em alguns sistemas.

Ao mesmo tempo, existem genes anti-morte que parecem neutralizar os genes pró-morte. O primeiro deles a ser identificado foi o ced-9 de C. elegans, que é homólogo ao bcl-2 em humanos. Esses genes agem de uma maneira ainda desconhecida para impedir a morte celular por toxinas genéticas ou químicas. Algumas evidências recentes indicam que o bcl-2 pode atuar como um antioxidante. Atualmente, há muito esforço em andamento para entender os genes envolvidos e desenvolver maneiras de ativar ou inibir esses genes, dependendo da situação.

 

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Domingo, janeiro 16 2011 16: 34

Toxicologia Genética

A toxicologia genética, por definição, é o estudo de como os agentes químicos ou físicos afetam o intrincado processo da hereditariedade. Os produtos químicos genotóxicos são definidos como compostos capazes de modificar o material hereditário das células vivas. A probabilidade de um determinado produto químico causar danos genéticos inevitavelmente depende de várias variáveis, incluindo o nível de exposição do organismo ao produto químico, a distribuição e retenção do produto químico uma vez que entra no corpo, a eficiência da ativação metabólica e/ou sistemas de desintoxicação em tecidos-alvo e a reatividade do produto químico ou de seus metabólitos com macromoléculas críticas dentro das células. A probabilidade de que o dano genético cause doença depende, em última análise, da natureza do dano, da capacidade da célula de reparar ou amplificar o dano genético, da oportunidade de expressar qualquer alteração induzida e da capacidade do corpo de reconhecer e suprimir a multiplicação de células aberrantes.

Em organismos superiores, a informação hereditária é organizada em cromossomos. Os cromossomos consistem em filamentos fortemente condensados ​​de DNA associado a proteínas. Dentro de um único cromossomo, cada molécula de DNA existe como um par de cadeias longas e não ramificadas de subunidades de nucleotídeos ligadas entre si por ligações fosfodiéster que unem o carbono 5 de uma porção de desoxirribose ao carbono 3 da próxima (figura 1). Além disso, uma das quatro bases nucleotídicas diferentes (adenina, citosina, guanina ou timina) está ligada a cada subunidade de desoxirribose como contas em um cordão. Tridimensionalmente, cada par de fitas de DNA forma uma dupla hélice com todas as bases voltadas para o interior da espiral. Dentro da hélice, cada base está associada à sua base complementar na fita de DNA oposta; a ligação de hidrogênio dita o emparelhamento forte e não covalente de adenina com timina e guanina com citosina (figura 1). Como a sequência de bases nucleotídicas é complementar em todo o comprimento da molécula de DNA duplex, ambas as fitas carregam essencialmente a mesma informação genética. De fato, durante a replicação do DNA, cada fita serve como modelo para a produção de uma nova fita parceira.

Figura 1. A organização (a) primária, (b) secundária e (c) terciária da informação hereditária humana

TOX090F1Usando o RNA e uma série de proteínas diferentes, a célula decifra a informação codificada pela sequência linear de bases dentro de regiões específicas do DNA (genes) e produz proteínas que são essenciais para a sobrevivência celular básica, bem como para o crescimento e diferenciação normais. Em essência, os nucleotídeos funcionam como um alfabeto biológico usado para codificar os aminoácidos, os blocos de construção das proteínas.

Quando nucleotídeos incorretos são inseridos ou nucleotídeos são perdidos, ou quando nucleotídeos desnecessários são adicionados durante a síntese de DNA, o erro é chamado de mutação. Estima-se que ocorra menos de uma mutação para cada 109 nucleotídeos incorporados durante a replicação normal das células. Embora as mutações não sejam necessariamente prejudiciais, as alterações que causam inativação ou superexpressão de genes importantes podem resultar em uma variedade de distúrbios, incluindo câncer, doenças hereditárias, anormalidades do desenvolvimento, infertilidade e morte embrionária ou perinatal. Muito raramente, uma mutação pode levar a uma maior sobrevida; tais ocorrências são a base da seleção natural.

Embora alguns produtos químicos reajam diretamente com o DNA, a maioria requer ativação metabólica. No último caso, intermediários eletrofílicos, como epóxidos ou íons de carbono, são responsáveis ​​por induzir lesões em uma variedade de sítios nucleofílicos dentro do material genético (figura 2). Em outros casos, a genotoxicidade é mediada por subprodutos da interação do composto com lipídios intracelulares, proteínas ou oxigênio.

Figura 2. Bioativação de: a) benzo(a)pireno; e b) N-nitrosodimetilamina

TOX090F2

Devido à sua relativa abundância nas células, as proteínas são o alvo mais frequente da interação tóxica. No entanto, a modificação do DNA é de maior preocupação devido ao papel central desta molécula na regulação do crescimento e diferenciação através de múltiplas gerações de células.

No nível molecular, os compostos eletrofílicos tendem a atacar o oxigênio e o nitrogênio no DNA. Os locais mais propensos à modificação estão ilustrados na figura 3. Embora os oxigênios dentro dos grupos fosfato no esqueleto do DNA também sejam alvos para modificação química, acredita-se que o dano às bases seja biologicamente mais relevante, uma vez que esses grupos são considerados os principais elementos na molécula de DNA.

Figura 3. Locais primários de danos ao DNA induzidos quimicamente

TOX090F3

Os compostos que contêm uma porção eletrofílica normalmente exercem genotoxicidade pela produção de mono-adutos no DNA. Da mesma forma, os compostos que contêm duas ou mais porções reativas podem reagir com dois centros nucleofílicos diferentes e, assim, produzir reticulações intra ou intermoleculares no material genético (figura 4). As ligações cruzadas entre fitas DNA-DNA e DNA-proteína podem ser particularmente citotóxicas, pois podem formar blocos completos para a replicação do DNA. Por razões óbvias, a morte de uma célula elimina a possibilidade de ela sofrer mutação ou transformação neoplásica. Agentes genotóxicos também podem atuar induzindo quebras no esqueleto fosfodiéster, ou entre bases e açúcares (produzindo sítios abásicos) no DNA. Essas quebras podem ser resultado direto da reatividade química no local danificado ou podem ocorrer durante o reparo de um dos tipos de lesão de DNA mencionados acima.

Figura 4. Vários tipos de dano ao complexo proteína-DNA

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Nos últimos trinta a quarenta anos, várias técnicas foram desenvolvidas para monitorar o tipo de dano genético induzido por vários produtos químicos. Tais ensaios são descritos em detalhes em outras partes deste capítulo e enciclopédia.

A replicação incorreta de "microlesões", como mono-adutos, locais abásicos ou quebras de fita simples, pode resultar em substituições de pares de bases de nucleotídeos ou na inserção ou exclusão de fragmentos de polinucleotídeos curtos no DNA cromossômico. Em contraste, “macrolesões”, como adutos volumosos, ligações cruzadas ou quebras de fita dupla podem desencadear o ganho, perda ou rearranjo de pedaços relativamente grandes de cromossomos. De qualquer forma, as consequências podem ser devastadoras para o organismo, pois qualquer um desses eventos pode levar à morte celular, perda de função ou transformação maligna das células. Exatamente como o dano ao DNA causa câncer é amplamente desconhecido. Atualmente, acredita-se que o processo pode envolver ativação inadequada de proto-oncogenes, como meu c e ras, e/ou inativação de genes supressores de tumor recentemente identificados, como p53. A expressão anormal de qualquer tipo de gene anula os mecanismos celulares normais para controlar a proliferação e/ou diferenciação celular.

A preponderância da evidência experimental indica que o desenvolvimento de câncer após a exposição a compostos eletrofílicos é um evento relativamente raro. Isso pode ser explicado, em parte, pela capacidade intrínseca da célula de reconhecer e reparar o DNA danificado ou pela falha das células com DNA danificado em sobreviver. Durante o reparo, a base danificada, nucleotídeo ou trecho curto de nucleotídeos ao redor do local danificado é removido e (usando a fita oposta como modelo) um novo pedaço de DNA é sintetizado e inserido no lugar. Para ser eficaz, o reparo do DNA deve ocorrer com grande precisão antes da divisão celular, antes das oportunidades de propagação da mutação.

Estudos clínicos demonstraram que pessoas com defeitos hereditários na capacidade de reparar DNA danificado frequentemente desenvolvem câncer e/ou anormalidades de desenvolvimento em idade precoce (tabela 1). Esses exemplos fornecem fortes evidências que ligam o acúmulo de danos ao DNA a doenças humanas. Da mesma forma, os agentes que promovem a proliferação celular (como o acetato de tetradecanoilforbol) geralmente aumentam a carcinogênese. Para esses compostos, o aumento da probabilidade de transformação neoplásica pode ser consequência direta da diminuição do tempo disponível para a célula realizar o reparo adequado do DNA.

Tabela 1. Distúrbios hereditários propensos ao câncer que parecem envolver defeitos no reparo do DNA

Síndrome Sintomas Fenótipo celular
Ataxia Telangiectasia Deterioração neurológica
Imunodeficiência
Alta incidência de linfoma
Hipersensibilidade à radiação ionizante e a certos agentes alquilantes.
Replicação desregulada do DNA danificado (pode indicar tempo reduzido para o reparo do DNA)
síndrome de Bloom Anormalidades de desenvolvimento
Lesões na pele exposta
Alta incidência de tumores do sistema imunológico e do trato gastrointestinal
Alta frequência de aberrações cromossômicas
Ligação defeituosa de quebras associadas ao reparo do DNA
Anemia de Fanconi Retardo de crescimento
Alta incidência de leucemia
Hipersensibilidade a agentes de reticulação
Alta frequência de aberrações cromossômicas
Reparo defeituoso de ligações cruzadas no DNA
Câncer de cólon hereditário sem polipose Alta incidência de câncer de cólon Defeito no reparo do DNA incompatível (quando a inserção do nucleotídeo errado ocorre durante a replicação)
Xeroderma pigmentoso Alta incidência de epitelioma em áreas expostas da pele
Comprometimento neurológico (em muitos casos)
Hipersensibilidade à luz ultravioleta e a muitos carcinógenos químicos
Defeitos no reparo por excisão e/ou replicação do DNA danificado

 

As primeiras teorias sobre como os produtos químicos interagem com o DNA remontam a estudos conduzidos durante o desenvolvimento do gás mostarda para uso em guerra. Uma compreensão maior surgiu dos esforços para identificar agentes anticancerígenos que interromperiam seletivamente a replicação de células tumorais que se dividem rapidamente. O aumento da preocupação pública com os perigos em nosso meio ambiente levou a pesquisas adicionais sobre os mecanismos e consequências da interação química com o material genético. Exemplos de vários tipos de produtos químicos que exercem genotoxicidade são apresentados na tabela 2.

Tabela 2. Exemplos de produtos químicos que exibem genotoxicidade em células humanas

Classe de produto químico Exemplo Fonte de exposição Provável lesão genotóxica
Aflatoxinas Aflatoxina B1 Comida contaminada Adutos de DNA volumosos
Aminas aromáticas 2-Acetilaminofluoreno Ambiental  Adutos de DNA volumosos
Aziridina quinonas Mitomicina C quimioterapia para câncer Mono-adutos, ligações cruzadas entre fitas e quebras de fita simples no DNA.
Hidrocarbonetos clorados Cloreto de vinilo Ambiental  Mono-adutos no DNA
Metais e compostos metálicos Cisplatina quimioterapia para câncer Ambas as ligações cruzadas intra e intercadeias no DNA
  compostos de níquel Ambiental  Mono-adutos e quebras de fita simples no DNA
Mostardas Nitrogenadas Ciclofosfamida quimioterapia para câncer Mono-adutos e ligações cruzadas entre fitas no DNA
Nitrosaminas N-nitrosodimetilamina Comida contaminada Mono-adutos no DNA
Hidrocarbonetos aromáticos policíclicos Benzo (a) pireno Ambiental  Adutos de DNA volumosos

 

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Domingo, janeiro 16 2011 18: 35

Imunotoxicologia

As funções do sistema imunológico são proteger o corpo de agentes infecciosos invasores e fornecer vigilância imunológica contra o surgimento de células tumorais. Possui uma primeira linha de defesa inespecífica e que pode iniciar ela própria as reações efetoras, e um ramo específico adquirido, no qual linfócitos e anticorpos carregam a especificidade de reconhecimento e posterior reatividade ao antígeno.

A imunotoxicologia foi definida como “a disciplina preocupada com o estudo dos eventos que podem levar a efeitos indesejados como resultado da interação de xenobióticos com o sistema imunológico. Esses eventos indesejados podem resultar como consequência de (1) um efeito direto e/ou indireto do xenobiótico (e/ou seu produto de biotransformação) no sistema imunológico, ou (2) uma resposta imunológica do hospedeiro ao composto e/ou seu(s) metabólito(s) ou antígenos do hospedeiro modificados pelo composto ou seus metabólitos” (Berlin et al. 1987).

Quando o sistema imunológico atua como um alvo passivo de insultos químicos, o resultado pode ser uma diminuição da resistência a infecções e certas formas de neoplasia, ou desregulação/estimulação imunológica que pode exacerbar alergia ou autoimunidade. No caso de o sistema imunológico responder à especificidade antigênica do xenobiótico ou do antígeno do hospedeiro modificado pelo composto, a toxicidade pode se manifestar como alergias ou doenças autoimunes.

Modelos animais para investigar a supressão imunológica induzida por produtos químicos foram desenvolvidos e vários desses métodos são validados (Burleson, Munson e Dean 1995; IPCS 1996). Para fins de teste, uma abordagem em camadas é seguida para fazer uma seleção adequada do grande número de ensaios disponíveis. Geralmente, o objetivo do primeiro nível é identificar potenciais imunotóxicos. Se for identificada potencial imunotoxicidade, uma segunda fase de testes é realizada para confirmar e caracterizar melhor as alterações observadas. As investigações de terceiro nível incluem estudos especiais sobre o mecanismo de ação do composto. Vários xenobióticos foram identificados como imunotóxicos causando imunossupressão em tais estudos com animais de laboratório.

O banco de dados sobre distúrbios da função imune em humanos por produtos químicos ambientais é limitado (Descotes 1986; NRC Subcommittee on Immunotoxicology 1992). O uso de marcadores de imunotoxicidade tem recebido pouca atenção em estudos clínicos e epidemiológicos para investigar o efeito desses produtos químicos na saúde humana. Esses estudos não têm sido realizados com frequência e sua interpretação muitas vezes não permite conclusões inequívocas, devido, por exemplo, à natureza descontrolada da exposição. Portanto, atualmente, a avaliação da imunotoxicidade em roedores, com posterior extrapolação para o homem, forma a base das decisões sobre perigo e risco.

As reações de hipersensibilidade, principalmente asma alérgica e dermatite de contato, são importantes problemas de saúde ocupacional nos países industrializados (Vos, Younes e Smith, 1995). O fenômeno da sensibilização de contato foi investigado primeiro na cobaia (Andersen e Maibach 1985). Até recentemente, esta tem sido a espécie de escolha para testes preditivos. Muitos métodos de teste de cobaia estão disponíveis, sendo os mais freqüentemente empregados o teste de maximização de cobaia e o teste de remendo ocluído de Buehler. Testes de cobaias e abordagens mais recentes desenvolvidas em camundongos, como testes de inchaço da orelha e o ensaio de linfonodo local, fornecem ao toxicologista as ferramentas para avaliar o risco de sensibilização da pele. A situação com relação à sensibilização do trato respiratório é muito diferente. Ainda não existem métodos bem validados ou amplamente aceitos disponíveis para a identificação de alérgenos respiratórios químicos, embora tenha havido progresso no desenvolvimento de modelos animais para a investigação de alergia respiratória química em cobaias e camundongos.

Dados humanos mostram que agentes químicos, em particular drogas, podem causar doenças autoimunes (Kammüller, Bloksma e Seinen 1989). Existem vários modelos animais experimentais de doenças autoimunes humanas. Tal compreende tanto patologia espontânea (por exemplo lúpus eritematoso sistêmico em camundongos New Zealand Black) quanto fenômenos autoimunes induzidos por imunização experimental com um autoantígeno de reação cruzada (por exemplo, artrite induzida pelo adjuvante H37Ra em ratos da linhagem Lewis). Esses modelos são aplicados na avaliação pré-clínica de drogas imunossupressoras. Muito poucos estudos abordaram o potencial desses modelos para avaliar se um xenobiótico exacerba a autoimunidade induzida ou congênita. Modelos animais adequados para investigar a capacidade de substâncias químicas de induzir doenças autoimunes praticamente não existem. Um modelo que é usado de forma limitada é o ensaio do linfonodo poplíteo em camundongos. Como a situação em humanos, fatores genéticos desempenham um papel crucial no desenvolvimento de doença autoimune (DA) em animais de laboratório, o que limitará o valor preditivo de tais testes.

O sistema imunológico

A principal função do sistema imunológico é a defesa contra bactérias, vírus, parasitas, fungos e células neoplásicas. Isso é alcançado pelas ações de vários tipos de células e seus mediadores solúveis em um concerto afinado. A defesa do hospedeiro pode ser dividida em resistência inespecífica ou inata e imunidade específica ou adquirida mediada por linfócitos (Roitt, Brostoff e Male 1989).

Componentes do sistema imunológico estão presentes em todo o corpo (Jones et al. 1990). O compartimento de linfócitos é encontrado dentro dos órgãos linfóides (figura 1). A medula óssea e o timo são classificados como órgãos linfoides primários ou centrais; os órgãos linfóides secundários ou periféricos incluem linfonodos, baço e tecido linfóide ao longo de superfícies secretoras, como os tratos gastrointestinal e respiratório, o chamado tecido linfóide associado à mucosa (MALT). Cerca de metade dos linfócitos do corpo estão localizados a qualquer momento no MALT. Além disso, a pele é um órgão importante para a indução de respostas imunes aos antígenos presentes na pele. Importantes neste processo são as células de Langerhans epidérmicas que possuem uma função de apresentação de antígenos.

Figura 1. Órgãos e tecidos linfoides primários e secundários

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Células fagocíticas da linhagem de monócitos/macrófagos, denominadas sistema mononuclear fagocitário (MPS), ocorrem em órgãos linfóides e também em locais extranodais; os fagócitos extranodais incluem células de Kupffer no fígado, macrófagos alveolares no pulmão, macrófagos mesangiais no rim e células gliais no cérebro. Os leucócitos polimorfonucleares (PMNs) estão presentes principalmente no sangue e na medula óssea, mas se acumulam nos locais de inflamação.

 

 

 

 

 

 

 

Defesa não específica

Uma primeira linha de defesa aos microrganismos é executada por uma barreira física e química, como a pele, o trato respiratório e o trato alimentar. Essa barreira é auxiliada por mecanismos de proteção não específicos, incluindo células fagocíticas, como macrófagos e leucócitos polimorfonucleares, que são capazes de matar patógenos, e células assassinas naturais, que podem lisar células tumorais e células infectadas por vírus. O sistema complemento e certos inibidores microbianos (por exemplo, lisozima) também participam da resposta inespecífica.

Imunidade específica

Após o contato inicial do hospedeiro com o patógeno, respostas imunes específicas são induzidas. A marca desta segunda linha de defesa é o reconhecimento específico de determinantes, chamados de antígenos ou epítopos, dos patógenos por receptores na superfície celular de linfócitos B e T. Após a interação com o antígeno específico, a célula portadora do receptor é estimulada a sofrer proliferação e diferenciação, produzindo um clone de células descendentes que são específicas para o antígeno desencadeante. As respostas imunes específicas auxiliam na defesa inespecífica apresentada aos patógenos, estimulando a eficácia das respostas inespecíficas. Uma característica fundamental da imunidade específica é que a memória se desenvolve. O contato secundário com o mesmo antígeno provoca uma resposta mais rápida e vigorosa, mas bem regulada.

O genoma não tem a capacidade de carregar os códigos de uma matriz de receptores de antígenos suficiente para reconhecer o número de antígenos que podem ser encontrados. O repertório de especificidade se desenvolve por um processo de rearranjos de genes. Este é um processo aleatório, durante o qual várias especificidades são trazidas. Isso inclui especificidades para autocomponentes, que são indesejáveis. Um processo de seleção que ocorre no timo (células T) ou na medula óssea (células B) opera para eliminar essas especificidades indesejáveis.

A função efetora imune normal e a regulação homeostática da resposta imune dependem de uma variedade de produtos solúveis, conhecidos coletivamente como citocinas, que são sintetizados e secretados por linfócitos e por outros tipos de células. As citocinas têm efeitos pleiotrópicos nas respostas imune e inflamatória. A cooperação entre diferentes populações de células é necessária para a resposta imune – a regulação das respostas de anticorpos, o acúmulo de células e moléculas imunes em locais inflamatórios, o início de respostas de fase aguda, o controle da função citotóxica de macrófagos e muitos outros processos centrais para a resistência do hospedeiro . Estes são influenciados e, em muitos casos, dependem de citocinas agindo individualmente ou em conjunto.

Dois braços de imunidade específica são reconhecidos - imunidade humoral e mediada por células ou imunidade celular:

imunidade humoral. No braço humoral, os linfócitos B são estimulados após o reconhecimento do antígeno pelos receptores da superfície celular. Os receptores de antígenos nos linfócitos B são imunoglobulinas (Ig). Células B maduras (células plasmáticas) iniciam a produção de imunoglobulinas específicas do antígeno que atuam como anticorpos no soro ou ao longo das superfícies mucosas. Existem cinco classes principais de imunoglobulinas: (1) IgM, Ig pentamérica com ótima capacidade aglutinante, que é produzida pela primeira vez após estimulação antigênica; (2) IgG, a principal Ig em circulação, que pode atravessar a placenta; (3) IgA, Ig secretora para proteção de superfícies mucosas; (4) IgE, fixação de Ig a mastócitos ou granulócitos basofílicos envolvidos em reações de hipersensibilidade imediata e (5) IgD, cuja principal função é como receptora em linfócitos B.

Imunidade mediada por células. O braço celular do sistema imunológico específico é mediado por linfócitos T. Essas células também possuem receptores de antígenos em suas membranas. Eles reconhecem antígenos se apresentados por células apresentadoras de antígenos no contexto de antígenos de histocompatibilidade. Portanto, essas células têm uma restrição além da especificidade do antígeno. As células T funcionam como células auxiliares para várias respostas imunes (incluindo humorais), mediam o recrutamento de células inflamatórias e podem, como células T citotóxicas, matar células-alvo após o reconhecimento específico do antígeno.

Mecanismos de Imunotoxicidade

Imunossupressão

A resistência efetiva do hospedeiro depende da integridade funcional do sistema imunológico, que por sua vez requer que as células e moléculas componentes que orquestram as respostas imunes estejam disponíveis em número suficiente e de forma operacional. As imunodeficiências congênitas em humanos são frequentemente caracterizadas por defeitos em certas linhagens de células-tronco, resultando em produção prejudicada ou ausente de células imunes. Por analogia com doenças de imunodeficiência humana congênita e adquirida, a imunossupressão induzida por produtos químicos pode resultar simplesmente de um número reduzido de células funcionais (IPCS 1996). A ausência ou número reduzido de linfócitos pode ter efeitos mais ou menos profundos no estado imunológico. Alguns estados de imunodeficiência e imunossupressão grave, como podem ocorrer em transplantes ou terapia citostática, têm sido associados em particular ao aumento da incidência de infecções oportunistas e de certas doenças neoplásicas. As infecções podem ser bacterianas, virais, fúngicas ou protozoárias, e o tipo de infecção predominante depende da imunodeficiência associada. Pode-se esperar que a exposição a produtos químicos ambientais imunossupressores resulte em formas mais sutis de imunossupressão, que podem ser difíceis de detectar. Estes podem levar, por exemplo, a um aumento da incidência de infecções como gripe ou resfriado comum.

Tendo em vista a complexidade do sistema imunológico, com a grande variedade de células, mediadores e funções que formam uma rede complicada e interativa, os compostos imunotóxicos têm inúmeras oportunidades de exercer um efeito. Embora a natureza das lesões iniciais induzidas por muitos produtos químicos imunotóxicos ainda não tenha sido elucidada, há cada vez mais informações disponíveis, principalmente derivadas de estudos em animais de laboratório, sobre as alterações imunobiológicas que resultam na depressão da função imune (Dean et al. 1994). . Podem ocorrer efeitos tóxicos nas seguintes funções críticas (e são dados alguns exemplos de compostos imunotóxicos que afetam essas funções):

  •  desenvolvimento e expansão de diferentes populações de células-tronco (o benzeno exerce efeitos imunotóxicos no nível das células-tronco, causando linfocitopenia)
  •  proliferação de várias células linfóides e mielóides, bem como tecidos de suporte nos quais essas células amadurecem e funcionam (compostos de organoestanho imunotóxicos suprimem a atividade proliferativa de linfócitos no córtex tímico através de citotoxicidade direta; a ação timotóxica de 2,3,7,8-tetracloro -dibenzo-p-dioxina (TCDD) e compostos relacionados é provavelmente devido a uma função prejudicada das células epiteliais do timo, em vez de toxicidade direta para os timócitos)
  •  captação, processamento e apresentação do antígeno pelos macrófagos e outras células apresentadoras de antígenos (um dos alvos do 7,12-dimetilbenz(a)antraceno (DMBA) e do chumbo é a apresentação do antígeno pelos macrófagos; um alvo da radiação ultravioleta é o antígeno- apresentando células de Langerhans)
  •  função reguladora das células T-helper e T-supressoras (a função das células T-helper é prejudicada por organoestanhos, aldicarb, bifenilos policlorados (PCBs), TCDD e DMBA; a função das células T-supressoras é reduzida pelo tratamento com baixa dose de ciclofosfamida)
  •  produção de várias citocinas ou interleucinas (benzo(a)pireno (BP) suprime a produção de interleucina-1; a radiação ultravioleta altera a produção de citocinas pelos queratinócitos)
  •  a síntese de várias classes de imunoglobulinas IgM e IgG é suprimida após o tratamento com PCB e óxido de tributilestanho (TBT) e aumentada após a exposição ao hexaclorobenzeno (HCB).
  •  regulação e ativação do complemento (afetada pelo TCDD)
  •  função das células T citotóxicas (3-metilcolantreno (3-MC), DMBA e TCDD suprimem a atividade das células T citotóxicas)
  •  função das células assassinas naturais (NK) (a atividade NK pulmonar é suprimida pelo ozônio; a atividade NK esplênica é prejudicada pelo níquel)
  •  quimiotaxia de macrófagos e leucócitos polimorfonucleares e funções citotóxicas (o ozônio e o dióxido de nitrogênio prejudicam a atividade fagocítica dos macrófagos alveolares).

 

Alergia

Alergia pode ser definido como os efeitos adversos à saúde que resultam da indução e eliciação de respostas imunes específicas. Quando ocorrem reações de hipersensibilidade sem envolvimento do sistema imunológico, o termo pseudo-alergia é usado. No contexto da imunotoxicologia, a alergia resulta de uma resposta imune específica a produtos químicos e medicamentos de interesse. A capacidade de um produto químico para sensibilizar os indivíduos está geralmente relacionada com a sua capacidade de se ligar covalentemente às proteínas do corpo. As reações alérgicas podem assumir uma variedade de formas e diferem em relação aos mecanismos imunológicos subjacentes e à velocidade da reação. Quatro tipos principais de reações alérgicas foram reconhecidos: Reações de hipersensibilidade do tipo I, que são efetuadas pelo anticorpo IgE e onde os sintomas se manifestam dentro de minutos após a exposição do indivíduo sensibilizado. As reações de hipersensibilidade do tipo II resultam do dano ou destruição das células hospedeiras por anticorpos. Neste caso, os sintomas tornam-se aparentes dentro de horas. As reações de hipersensibilidade tipo III, ou Arthus, também são mediadas por anticorpos, mas contra antígenos solúveis, e resultam da ação local ou sistêmica de imunocomplexos. Tipo IV, ou hipersensibilidade do tipo retardado, as reações são efetuadas por linfócitos T e normalmente os sintomas se desenvolvem 24 a 48 horas após a exposição do indivíduo sensibilizado.

Os dois tipos de alergia química de maior relevância para a saúde ocupacional são a sensibilidade de contato ou alergia cutânea e a alergia do trato respiratório.

Hipersensibilidade de contato. Um grande número de produtos químicos é capaz de causar sensibilização da pele. Após a exposição tópica de um indivíduo suscetível a um alérgeno químico, uma resposta de linfócitos T é induzida nos gânglios linfáticos de drenagem. Na pele, o alérgeno interage direta ou indiretamente com as células de Langerhans epidérmicas, que transportam o produto químico para os gânglios linfáticos e o apresentam de forma imunogênica aos linfócitos T responsivos. Os linfócitos T ativados por alérgenos proliferam, resultando em expansão clonal. O indivíduo agora está sensibilizado e responderá a uma segunda exposição dérmica ao mesmo produto químico com uma resposta imune mais agressiva, resultando em dermatite alérgica de contato. A reação inflamatória cutânea que caracteriza a dermatite alérgica de contato é secundária ao reconhecimento do alérgeno na pele por linfócitos T específicos. Esses linfócitos tornam-se ativados, liberam citocinas e causam o acúmulo local de outros leucócitos mononucleares. Os sintomas se desenvolvem cerca de 24 a 48 horas após a exposição do indivíduo sensibilizado e, portanto, a dermatite alérgica de contato representa uma forma de hipersensibilidade do tipo retardado. Causas comuns de dermatite alérgica de contato incluem produtos químicos orgânicos (como 2,4-dinitroclorobenzeno), metais (como níquel e cromo) e produtos vegetais (como urushiol da hera venenosa).

Hipersensibilidade respiratória. A hipersensibilidade respiratória é geralmente considerada uma reação de hipersensibilidade do Tipo I. No entanto, as reações de fase tardia e os sintomas mais crônicos associados à asma podem envolver processos imunológicos mediados por células (Tipo IV). Os sintomas agudos associados à alergia respiratória são efetuados pelo anticorpo IgE, cuja produção é provocada após a exposição do indivíduo suscetível ao alérgeno químico indutor. O anticorpo IgE distribui-se sistemicamente e liga-se, via receptores de membrana, a mastócitos que se encontram em tecidos vascularizados, incluindo o trato respiratório. Após a inalação do mesmo produto químico, ocorrerá uma reação de hipersensibilidade respiratória. O alérgeno associa-se à proteína e liga-se e faz ligações cruzadas com o anticorpo IgE ligado aos mastócitos. Isso, por sua vez, causa a degranulação dos mastócitos e a liberação de mediadores inflamatórios, como histamina e leucotrienos. Tais mediadores causam broncoconstrição e vasodilatação, resultando em sintomas de alergia respiratória; asma e/ou rinite. Os produtos químicos conhecidos por causar hipersensibilidade respiratória no homem incluem anidridos ácidos (como anidrido trimelítico), alguns diisocianatos (como diisocianato de tolueno), sais de platina e alguns corantes reativos. Além disso, a exposição crônica ao berílio é conhecida por causar doença pulmonar de hipersensibilidade.

Autoimunidade

Autoimunidade pode ser definida como a estimulação de respostas imunes específicas dirigidas contra antígenos “próprios” endógenos. A autoimunidade induzida pode resultar de alterações no equilíbrio dos linfócitos T reguladores ou da associação de um xenobiótico com componentes normais do tecido, de modo a torná-los imunogênicos (“altered self”). Drogas e produtos químicos conhecidos por induzir ou exacerbar acidentalmente efeitos como os da doença autoimune (AD) em indivíduos suscetíveis são compostos de baixo peso molecular (peso molecular de 100 a 500) que geralmente são considerados não imunogênicos. O mecanismo da DA por exposição química é praticamente desconhecido. A doença pode ser produzida diretamente por meio de anticorpos circulantes, indiretamente por meio da formação de complexos imunes ou como consequência da imunidade mediada por células, mas provavelmente ocorre por meio de uma combinação de mecanismos. A patogênese é mais bem conhecida em distúrbios hemolíticos imunes induzidos por drogas:

  •  A droga pode se ligar à membrana dos glóbulos vermelhos e interagir com um anticorpo específico da droga.
  •  A droga pode alterar a membrana dos glóbulos vermelhos de modo que o sistema imunológico considere a célula estranha.
  •  A droga e seu anticorpo específico formam imunocomplexos que aderem à membrana das hemácias para produzir lesões.
  •  A sensibilização das hemácias ocorre devido à produção de autoanticorpos das hemácias.

 

Verificou-se que uma variedade de substâncias químicas e drogas, em particular as últimas, induzem respostas autoimunes (Kamüller, Bloksma e Seinen 1989). A exposição ocupacional a produtos químicos pode ocasionar incidentalmente síndromes semelhantes à DA. A exposição a cloreto de vinila monomérico, tricloroetileno, percloroetileno, resinas epóxi e pó de sílica pode induzir síndromes semelhantes à esclerodermia. Uma síndrome semelhante ao lúpus eritematoso sistêmico (LES) foi descrita após a exposição à hidrazina. A exposição ao diisocianato de tolueno tem sido associada à indução de púrpura trombocitopênica. Metais pesados, como o mercúrio, têm sido implicados em alguns casos de glomerulonefrite por imunocomplexos.

Avaliação de Risco Humano

A avaliação do estado imunológico humano é realizada principalmente usando sangue periférico para análise de substâncias humorais como imunoglobulinas e complemento, e de leucócitos sanguíneos para composição de subconjuntos e funcionalidade de subpopulações. Esses métodos são geralmente os mesmos usados ​​para investigar a imunidade humoral e mediada por células, bem como a resistência inespecífica de pacientes com suspeita de imunodeficiência congênita. Para estudos epidemiológicos (por exemplo, de populações expostas ocupacionalmente), os parâmetros devem ser selecionados com base em seu valor preditivo em populações humanas, modelos animais validados e a biologia subjacente dos marcadores (ver tabela 1). A estratégia de triagem de efeitos imunotóxicos após exposição (acidental) a poluentes ambientais ou outros tóxicos depende muito das circunstâncias, como tipo de imunodeficiência esperada, tempo entre a exposição e a avaliação do estado imunológico, grau de exposição e número de indivíduos expostos. O processo de avaliação do risco imunotóxico de um determinado xenobiótico em humanos é extremamente difícil e muitas vezes impossível, devido em grande parte à presença de vários fatores de confusão de origem endógena ou exógena que influenciam a resposta dos indivíduos aos danos tóxicos. Isto é particularmente verdadeiro para estudos que investigam o papel da exposição química em doenças autoimunes, onde os fatores genéticos desempenham um papel crucial.

Tabela 1. Classificação dos testes para marcadores imunológicos

Categoria de teste Características Testes específicos
Básico-geral
Deve ser incluído com painéis gerais
Indicadores de estado geral de saúde e sistema de órgãos Nitrogênio ureico no sangue, glicose no sangue, etc.
básico-imune
Deve ser incluído com painéis gerais
Indicadores gerais do estado imunológico
Custo relativamente baixo
Os métodos de ensaio são padronizados entre os laboratórios
Os resultados fora dos intervalos de referência são clinicamente interpretáveis
hemograma completo
Níveis séricos de IgG, IgA, IgM
Fenótipos de marcadores de superfície para os principais subconjuntos de linfócitos
Focado/reflexo
Deve ser incluído quando indicado por achados clínicos, exposições suspeitas ou resultados de testes anteriores
Indicadores de funções/eventos imunológicos específicos
O custo varia
Os métodos de ensaio são padronizados entre os laboratórios
Os resultados fora dos intervalos de referência são clinicamente interpretáveis
Genótipo de histocompatibilidade
Anticorpos contra agentes infecciosos
IgE sérico total
IgE específica para alérgenos
Autoanticorpos
Testes cutâneos para hipersensibilidade
Explosão oxidativa de granulócitos
Histopatologia (biópsia de tecido)
Estudos
Deve ser incluído apenas com populações de controle e desenho de estudo cuidadoso
Indicadores de funções/eventos imunológicos gerais ou específicos
O custo varia; muitas vezes caro
Os métodos de ensaio geralmente não são padronizados entre os laboratórios
Os resultados fora dos intervalos de referência geralmente não são clinicamente interpretáveis
Ensaios de estimulação in vitro
Marcadores de superfície de ativação celular
Concentrações séricas de citocinas
Ensaios de clonalidade (anticorpo, celular, genético)
Testes de citotoxicidade

 

Como dados humanos adequados raramente estão disponíveis, a avaliação do risco de imunossupressão induzida por produtos químicos em humanos é, na maioria dos casos, baseada em estudos em animais. A identificação de potenciais xenobióticos imunotóxicos é realizada principalmente em estudos controlados em roedores. Os estudos de exposição in vivo apresentam, a esse respeito, a abordagem ideal para estimar o potencial imunotóxico de um composto. Isso se deve à natureza multifatorial e complexa do sistema imunológico e das respostas imunes. Estudos in vitro são de valor crescente na elucidação dos mecanismos de imunotoxicidade. Além disso, ao investigar os efeitos do composto usando células de origem animal e humana, podem ser gerados dados para comparação de espécies, que podem ser usados ​​na abordagem do “paralelogramo” para melhorar o processo de avaliação de risco. Se houver dados disponíveis para os três pilares do paralelogramo (in vivo animal e in vitro animal e humano), pode ser mais fácil prever o resultado no restante pilar, ou seja, o risco em humanos.

Quando a avaliação do risco de imunossupressão induzida por produtos químicos depende apenas de dados de estudos em animais, uma abordagem pode ser seguida na extrapolação para o homem pela aplicação de fatores de incerteza ao nível de efeito adverso não observado (NOAEL). Este nível pode ser baseado em parâmetros determinados em modelos relevantes, como ensaios de resistência do hospedeiro e avaliação in vivo de reações de hipersensibilidade e produção de anticorpos. Idealmente, a relevância dessa abordagem para avaliação de risco requer confirmação por estudos em humanos. Esses estudos devem combinar a identificação e medição do tóxico, dados epidemiológicos e avaliações do estado imunológico.

Para prever a hipersensibilidade de contato, modelos de cobaias estão disponíveis e têm sido usados ​​na avaliação de risco desde a década de 1970. Embora sensíveis e reprodutíveis, esses testes apresentam limitações por dependerem de avaliação subjetiva; isso pode ser superado por métodos mais novos e quantitativos desenvolvidos no mouse. Em relação à hipersensibilidade química induzida por inalação ou ingestão de alérgenos, testes devem ser desenvolvidos e avaliados quanto ao seu valor preditivo no homem. Quando se trata de definir níveis seguros de exposição ocupacional de alérgenos potenciais, deve-se levar em consideração a natureza bifásica da alergia: a fase de sensibilização e a fase de elicitação. A concentração necessária para provocar uma reação alérgica em um indivíduo previamente sensibilizado é consideravelmente menor do que a concentração necessária para induzir a sensibilização no indivíduo imunologicamente virgem, mas suscetível.

Como praticamente não existem modelos animais para prever a autoimunidade induzida por produtos químicos, deve-se dar ênfase ao desenvolvimento de tais modelos. Para o desenvolvimento de tais modelos, nosso conhecimento da autoimunidade induzida por produtos químicos em humanos deve ser avançado, incluindo o estudo de marcadores genéticos e do sistema imunológico para identificar indivíduos suscetíveis. Os seres humanos expostos a drogas que induzem a autoimunidade oferecem essa oportunidade.

 

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Domingo, janeiro 16 2011 18: 43

Toxicologia de órgãos-alvo

O estudo e caracterização de produtos químicos e outros agentes para propriedades tóxicas é frequentemente realizado com base em órgãos e sistemas de órgãos específicos. Neste capítulo, dois alvos foram selecionados para uma discussão aprofundada: o sistema imunológico e o gene. Esses exemplos foram escolhidos para representar um sistema de órgão alvo complexo e um alvo molecular dentro das células. Para uma discussão mais abrangente da toxicologia dos órgãos-alvo, o leitor deve consultar os textos de toxicologia padrão, como Casarett e Doull e Hayes. O Programa Internacional de Segurança Química (IPCS) também publicou vários documentos de critérios sobre toxicologia de órgãos-alvo, por sistema de órgãos.

Os estudos de toxicologia de órgãos-alvo são geralmente realizados com base em informações que indicam o potencial de efeitos tóxicos específicos de uma substância, seja de dados epidemiológicos ou de estudos gerais de toxicidade aguda ou crônica, ou com base em preocupações especiais para proteger certas funções de órgãos, como como reprodução ou desenvolvimento fetal. Em alguns casos, testes específicos de toxicidade de órgãos-alvo são expressamente exigidos por autoridades estatutárias, como testes de neurotoxicidade sob a lei de pesticidas dos EUA (consulte “A abordagem dos Estados Unidos para avaliação de risco de tóxicos reprodutivos e agentes neurotóxicos” e testes de mutagenicidade sob a Norma Japonesa de Produtos Químicos). Lei de Controle de Substâncias (consulte “Princípios de identificação de perigos: A abordagem japonesa”).

Conforme discutido em “órgão-alvo e efeitos críticos”, a identificação de um órgão crítico é baseada na detecção do órgão ou sistema de órgãos que primeiro responde adversamente ou às doses ou exposições mais baixas. Esta informação é então usada para projetar investigações toxicológicas específicas ou testes de toxicidade mais definidos que são projetados para obter indicações mais sensíveis de intoxicação no órgão-alvo. Estudos de toxicologia de órgãos-alvo também podem ser usados ​​para determinar mecanismos de ação, de uso na avaliação de risco (consulte “A abordagem dos Estados Unidos para avaliação de risco de tóxicos reprodutivos e agentes neurotóxicos”).

Métodos de estudos de toxicidade de órgãos-alvo

Os órgãos-alvo podem ser estudados pela exposição de organismos intactos e análise detalhada da função e histopatologia no órgão-alvo, ou pela exposição in vitro de células, fatias de tecido ou órgãos inteiros mantidos por períodos curtos ou longos em cultura (consulte “Mecanismos de toxicologia: Introdução e conceitos”). Em alguns casos, tecidos de seres humanos também podem estar disponíveis para estudos de toxicidade de órgãos-alvo, e isso pode fornecer oportunidades para validar suposições de extrapolação entre espécies. No entanto, deve-se ter em mente que tais estudos não fornecem informações sobre a toxicocinética relativa.

Em geral, os estudos de toxicidade de órgãos-alvo compartilham as seguintes características comuns: exame histopatológico detalhado do órgão-alvo, incluindo exame post mortem, peso do tecido e exame de tecidos fixados; estudos bioquímicos de vias críticas no órgão-alvo, como sistemas enzimáticos importantes; estudos funcionais da capacidade do órgão e constituintes celulares para realizar funções metabólicas esperadas e outras; e análise de biomarcadores de exposição e efeitos precoces em células de órgãos-alvo.

O conhecimento detalhado da fisiologia, bioquímica e biologia molecular dos órgãos-alvo pode ser incorporado aos estudos dos órgãos-alvo. Por exemplo, como a síntese e secreção de proteínas de baixo peso molecular é um aspecto importante da função renal, os estudos de nefrotoxicidade geralmente incluem atenção especial a esses parâmetros (IPCS 1991). Como a comunicação célula a célula é um processo fundamental da função do sistema nervoso, os estudos de órgãos-alvo na neurotoxicidade podem incluir medições neuroquímicas e biofísicas detalhadas da síntese, captação, armazenamento, liberação e ligação do receptor de neurotransmissores, bem como medições eletrofisiológicas de alterações na membrana potencial associado a esses eventos.

Um alto grau de ênfase está sendo colocado no desenvolvimento de métodos in vitro para toxicidade de órgãos-alvo, para substituir ou reduzir o uso de animais inteiros. Avanços substanciais nesses métodos foram alcançados para tóxicos reprodutivos (Heindel e Chapin 1993).

Em resumo, os estudos de toxicidade de órgãos-alvo são geralmente realizados como um teste de ordem superior para determinar a toxicidade. A seleção de órgãos-alvo específicos para avaliação posterior depende dos resultados dos testes de nível de triagem, como os testes agudos ou subcrônicos usados ​​pela OCDE e pela União Européia; alguns órgãos-alvo e sistemas de órgãos podem ser candidatos a priori para investigação especial devido a preocupações de prevenir certos tipos de efeitos adversos à saúde.

 

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