Toxicologia Fundamental

00 toxicologia alim 10/12/08 09:28 Página I 00 toxicologia alim 10/12/08 09:28 Página III TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL 00 toxicologia alim 10/12/08 09:28 Página IV 00 toxicologia alim 10/12/08 09:28 Página V Manuel Repetto Jiménez Ex-Director del Instituto Nacional de Toxicología. Sevilla Profesor Titular de Toxicología, jubilado. Universidad de Sevilla Guillermo Repetto Kuhn Facultativo. Instituto Nacional de Toxicología. Sevilla Profesor Asociado de Toxicología. Universidad de Sevilla TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Cuarta edición ERRNVPHGLFRVRUJ 00 toxicologia alim 10/12/08 09:28 Página VI © Manuel y Guillermo Repetto, 2009 Cuarta edición Reservados todos los derechos «No está permitida la reproducción total o parcial de este libro, ni su tratamiento informático, ni la transmisión de ninguna, forma o por cualquier medio, ya sea electrónico, mecánico por fotocopia, por registro u otros métodos, sin el permiso previo y por escrito de los titulares del Copyright.» Ediciones Díaz de Santos E-mail: ediciones@diazdesantos.es Internet://http:www.diazdesantos.es/ediciones ISBN: 978-84-7978-898-8 Depósito Legal: M-283-2009 Diseño de cubierta: Angel Calvete Fotocomposición: Fer Impresión: Edigrafos Encuadernación: Rústica-Hilo 00 toxicologia alim 10/12/08 09:28 Página VII Mateo J. B. Orfila (Mahón, 1787-1853), creador de la Toxicología Científica Portada sobre su tratado sobre toxicología. (1ª edición. París, 1814) 00 toxicologia alim 10/12/08 09:28 Página VIII 00 toxicologia alim 10/12/08 09:28 Página IX Contenido Prólogo a la cuarta edición ........................................................................................................ XIX Prefacio. Desastres tóxicos......................................................................................................... XXI Capítulo 1. Desarrollo y evolución histórica de la Toxicología Periodo primitivo. Edad Antigua ............................................................................................. El veneno en la caza, la mitología y el delito..................................................................... Edad Media (Siglos V-XV) ..................................................................................................... Edad Moderna (Siglos XV-XVIII) .......................................................................................... Primeros estudios toxicológicos ......................................................................................... Nacimiento de la toxicología judicial o forense ................................................................. Edad Contemporánea (Siglos XIX-XXI) ................................................................................ Progresos en los conocimientos toxicológicos ................................................................... Toxicología clínica. Centros antitóxicos ................................................................................. Toxicología industrial y ambiental .......................................................................................... Toxicología bromatológica y farmacéutica ............................................................................. Toxicología reguladora (Legislación toxicológica)................................................................. Toxicología mecanicista .......................................................................................................... Toxicología de sistemas ...................................................................................................... Enseñanza de la toxicología .................................................................................................... Acreditación y Registro de toxicólogos .............................................................................. Bibliografía.............................................................................................................................. 1 1 3 5 5 8 9 12 12 13 14 15 16 17 18 19 19 Capítulo 2. Conceptos y definiciones: Toxicología. Toxicidad La intoxicación y sus clases .................................................................................................... Glosario de conceptos toxicológicos....................................................................................... Interés toxicológico del factor tiempo..................................................................................... Concepto y clasificaciones por toxicidad ................................................................................ Efectos colaterales, secundarios e indeseables de los medicamentos................................ 22 23 32 33 35 IX 00 toxicologia alim X 10/12/08 09:28 Página X CONTENIDO Relaciones dosis-efecto y dosis-respuesta............................................................................... Hormetinas ......................................................................................................................... Concepto de pT................................................................................................................... Toxicidad de las sustancias químicas ...................................................................................... Toxicidad de las sustancias naturales ...................................................................................... Agentes físicos ........................................................................................................................ Etiología de las intoxicaciones ................................................................................................ Armas químicas, físicas y biológicas ...................................................................................... Grupo 1. Agentes tóxicos.................................................................................................... Grupo 2. Agentes neutralizantes o incapacitantes ............................................................. Grupo 3. Armas indirectas, de disuasión y confusión ....................................................... Grupo 4. Armas biológicas................................................................................................. Convenios de prohibición ................................................................................................... Referencias toxicológicas en la legislación española.............................................................. Veneno................................................................................................................................. Alcohol................................................................................................................................ Drogas o gentes de drogadicción ....................................................................................... Medicamentos..................................................................................................................... Alimentos ............................................................................................................................ Medio ambiente .................................................................................................................. Medio ambiente laboral...................................................................................................... Doping o dopaje ................................................................................................................. Bibliografía.............................................................................................................................. 36 39 39 41 43 43 47 50 50 50 51 52 52 52 52 53 53 54 54 54 55 56 57 Capítulo 3. Tránsito de los xenobióticos en el organismo. Toxicocinética Clasificaciones generales de los tóxicos.................................................................................. Clasificación de los tóxicos por el lugar de acción ................................................................. Procesos de tránsito ................................................................................................................. Mecanismos de absorción .................................................................................................. Distribución ........................................................................................................................ Localización, acumulación o fijación................................................................................. Eliminación......................................................................................................................... Redistribución post mortem................................................................................................ Toxicocinética.......................................................................................................................... Modelos compartimentales................................................................................................. Aplicaciones de la toxicocinética ....................................................................................... Diferencias entre farmacocinética y toxicocinética ........................................................... Cinética de la absorción .......................................................................................................... Sistema cerrado de dos compartimientos ..................................................................... Sistema abierto de dos compartimientos ...................................................................... Cinética de la distribución o transporte ................................................................................... Cinética general en modelo monocompartimental ....................................................... Cinética en modelo bicompartimental .......................................................................... Biodisponibilidad .................................................................................................................... Volumen aparente de distribución ...................................................................................... 59 59 60 60 69 72 73 77 79 79 82 82 83 85 86 86 86 89 94 94 00 toxicologia alim 10/12/08 09:28 Página XI CONTENIDO Cinética de la eliminación ....................................................................................................... Vida media de eliminación ................................................................................................. Curvas de excreción urinaria ............................................................................................. Principio de la meseta ........................................................................................................ Aclaramiento (clearence) ................................................................................................... Formas prácticas para calcular Ke, Ka y t1/2 ..................................................................... Retención selectiva ............................................................................................................. Casos particulares de cinéticas ................................................................................................ Absorción percutánea ......................................................................................................... Absorción de gases o vapores............................................................................................. Factores que afectan a la toxicocinética .................................................................................. Cinética lineal y no lineal................................................................................................... Cinética del efecto ................................................................................................................... Modelo I: monocompartimental abierto ............................................................................ Modelo II.a: bicompartimental abierto .............................................................................. Modelo II.b: bicompartimental abierto .............................................................................. Modelo III.a: tricompartimental abierto ............................................................................ Modelo III.b: tricompartimental abierto ............................................................................ Ejercicios prácticos de toxicocinética ..................................................................................... Bibliografía.............................................................................................................................. XI 96 97 98 98 100 101 102 105 105 105 110 110 111 111 111 112 112 112 112 113 Capítulo 4 Biotransformaciones de los tóxicos Biotransformaciones en la Fase I ó de Primer Paso ................................................................ Reacciones de oxidación .................................................................................................... Reacciones de reducción .................................................................................................... Hidrólisis ............................................................................................................................ Desalquilación.................................................................................................................... Hidratación......................................................................................................................... Isomerización ..................................................................................................................... Resumen de las biotransformaciones Fase I ...................................................................... Interés toxicológico de los epóxidos ....................................................................................... Biotransformaciones en la Fase II o de Segundo Paso............................................................ Biotransformaciones postmorte............................................................................................... Bibliografía.............................................................................................................................. 118 119 126 129 129 129 131 131 131 132 138 141 Capítulo 5. Fenómenos de inhibición, activación e inducción enzimática Principales respuestas funcionales .......................................................................................... Inactivación de proteínas ................................................................................................... Inhibición enzimática ......................................................................................................... Formas de activación enzimática ....................................................................................... Inducción enzimática.......................................................................................................... Bibliografía.............................................................................................................................. 143 144 144 145 147 158 00 toxicologia alim XII 10/12/08 09:28 Página XII CONTENIDO Capítulo 6. Mecanismos de toxicidad A. Afectación de la estructura celular ..................................................................................... Muerte celular .................................................................................................................... B. Alteraciones de la función celular ...................................................................................... Clases de mecanismos ............................................................................................................. Causticación ....................................................................................................................... Establecimiento de uniones químicas persistentes: alquilación y arilación...................... Reactivos electrófilos y nucleófilos .................................................................................... Alteración de la homeostasis del calcio ............................................................................. Defensa celular contra el estrés ......................................................................................... Mecanismos inmunitarios........................................................................................................ Toxicidad selectiva .................................................................................................................. Los receptores..................................................................................................................... Transmisión de señales celulares. Clases de receptores .................................................... Receptores de interés toxicológico ..................................................................................... Relaciones estructura – actividad ............................................................................................ Relaciones cuantitativas (QSAR) ............................................................................................ Parámetros electrónicos ..................................................................................................... Parámetros de sustituciones estéricas ................................................................................ Parámetros de la mínima diferencia estérica (MSD) ......................................................... Coeficiente de partición...................................................................................................... Valores cromatográficos ..................................................................................................... Relaciones biológicas .............................................................................................................. Bibliografía.............................................................................................................................. 163 163 167 169 172 173 174 191 194 194 204 204 205 208 211 215 215 216 216 216 216 216 217 Capítulo 7. Mecanismos de toxicidad Fisiopatología general de causa tóxica.................................................................................... Ciclo celular ............................................................................................................................ Fisiopatología tóxica de los vasos sanguíneos ........................................................................ Alteraciones de la respiración celular. Gases de especial interés toxicológico....................... Anoxia................................................................................................................................. Asfixia (hipoxia) ................................................................................................................. Fisiopatología tóxica del sistema nervioso.............................................................................. Elementos anatomofisiológicos .......................................................................................... Barrera hematoencefálica .................................................................................................. Neurotoxicología ..................................................................................................................... Neuronopatías..................................................................................................................... Axonopatías ........................................................................................................................ Mielinopatías........................................................................................................................... Afectación transmisional del impulso nervioso....................................................................... Miopatías................................................................................................................................. Vasculapatías tóxicas .............................................................................................................. Neuropatías tóxicas de especial interés .................................................................................. 222 223 224 225 225 226 233 233 243 244 245 246 247 248 251 251 251 00 toxicologia alim 10/12/08 09:28 Página XIII CONTENIDO Patologías tóxicas de la función pulmonar.............................................................................. Elementos anatomofisiológicos .......................................................................................... Procesos tóxicos en el pulmón............................................................................................ Aspiración de partículas..................................................................................................... Fiebre del soldador. Fiebre por metales, teflón, etc. ......................................................... Hepatopatías tóxicas................................................................................................................ Recuerdo anatómico y fisiológico ...................................................................................... Principales reacciones hepatotóxicas ................................................................................ Nefropatías de origen tóxico ................................................................................................... Procesos nefrotóxicos ......................................................................................................... Patologías tóxicas de la piel .................................................................................................... Absorción percutánea. La piel como vía de absorción....................................................... Toxicodermias..................................................................................................................... Interés toxicológico del pelo .............................................................................................. Dermitis por contacto......................................................................................................... Urticaria y angioedema...................................................................................................... Urticarias físicas ................................................................................................................ Urticaria de contacto ......................................................................................................... Urticaria por picaduras de insectos................................................................................... Urticaria de distribución sistémica .................................................................................... Angioedema por fármacos.................................................................................................. Dermatitis seborréica......................................................................................................... Efectos nocivos de la luz..................................................................................................... Reacciones de fotosensibilización ...................................................................................... Sustancias capaces de producir sensibilización................................................................. Necrolisis tóxica epidérmica .............................................................................................. Lupus eritematoso de origen tóxico ................................................................................... Patologías tóxicas en el aparato digestivo ............................................................................... Patologías tóxicas de las gónadas y de la función sexual........................................................ Disruptores endocrinos u hormonales ..................................................................................... Receptores de estrógenos ................................................................................................... Mecanismos de acción........................................................................................................ Hipótesis cinética ............................................................................................................... Receptores de andrógenos.................................................................................................. Principales disruptores endocrinos.................................................................................... Preocupación y actuaciones internacionales ..................................................................... Otras patologías tóxicas endocrinas ........................................................................................ Cardiotoxicidad ....................................................................................................................... Cardiotoxicidad de toxinas peptídicas ............................................................................... Alcoholes ............................................................................................................................ Hidrocarburos halogenados ............................................................................................... Anestésicos ......................................................................................................................... Antibióticos......................................................................................................................... Patologías tóxicas de la sangre y de la médula ósea ............................................................... Acciones tóxicas sobre los hematíes................................................................................... Acciones tóxicas sobre los leucocitos................................................................................. Acciones tóxicas sobre la hemostasia ................................................................................ Enfermedades tumorales en el sistema hematopoyético .................................................... XIII 255 255 256 262 263 263 263 267 272 274 279 281 282 287 287 288 288 289 289 289 289 289 290 293 293 294 294 295 297 301 304 305 306 306 307 309 310 311 315 316 316 316 317 317 318 319 320 321 00 toxicologia alim XIV 10/12/08 09:28 Página XIV CONTENIDO Ototoxicología ......................................................................................................................... Patologías tóxicas de los ojos .................................................................................................. Síndromes patológicos complejos ........................................................................................... Síndrome de intolerancia idiopática ambiental ................................................................. Síndrome del edificio enfermo o patógeno ......................................................................... Enfermedad de la Guerra del Golfo Pérsico...................................................................... Genotoxicología ...................................................................................................................... Bibliografía.............................................................................................................................. 321 323 327 327 328 328 329 337 Capítulo 8. Factores que modifican la toxicidad Factores que dependen del medio ambiente. Condicionantes físicos ..................................... Condiciones climáticas y meteorológicas .......................................................................... Actividad lumínica.............................................................................................................. Temperatura........................................................................................................................ Presión atmosférica ............................................................................................................ Ruido................................................................................................................................... Ciclos biológicos ................................................................................................................ Factores que dependen del individuo. Condicionantes biológicos.......................................... Especie................................................................................................................................ Raza .................................................................................................................................... Sexo..................................................................................................................................... Edad.................................................................................................................................... Individuo............................................................................................................................. Salud /Enfermedad ............................................................................................................. Situación psicosocial .......................................................................................................... Factores derivados de las condiciones de absorción ............................................................... Cronotoxicología y Cosmotoxicología.................................................................................... Ciclos o ritmos del Universo .............................................................................................. Cronosusceptibilidad ............................................................................................................... Bibliografía.............................................................................................................................. 342 342 342 342 343 343 343 344 344 344 345 345 348 352 352 353 354 354 362 364 Capítulo 9. Interacciones entre fármacos Interacción fisicoquímica ........................................................................................................ Interacción farmacocinética .................................................................................................... Influencias sobre la absorción............................................................................................ Interferencias en la distribución......................................................................................... Interacciones en la biotransformación............................................................................... Interacciones en la excreción ............................................................................................. Interacción farmacodinámica .................................................................................................. Interferencias sobre los receptores..................................................................................... Interacciones funcionales ................................................................................................... Interacciones de medicamentos con alimentos .................................................................. Caso particular del alcohol etílico..................................................................................... 369 369 369 371 372 374 375 376 376 376 382 00 toxicologia alim 10/12/08 09:28 Página XV CONTENIDO Sinergismo, adición y potenciación......................................................................................... Yatrogenia................................................................................................................................ Decálogo para el médico que receta........................................................................................ Bibliografía.............................................................................................................................. XV 383 384 384 386 Capítulo 10. Antagonistas y antídotos Principios generales para el empleo de antídotos y antagonistas............................................ Principales antagonistas .......................................................................................................... Principales antídotos................................................................................................................ Botiquines de antídotos. Recomendaciones ............................................................................ Botiquines domésticos ........................................................................................................ Botiquines de Centros de Asistencia Primaria ................................................................... Botiquines de Centros penitenciarios................................................................................. Botiquines de empresas ...................................................................................................... Botiquines de Servicios de urgencias extrahospitalarios ................................................... Botiquines de Hospitales, niveles I y II .............................................................................. Botiquín de Hospital de Referencia Toxicológica .............................................................. Botiquín de Hospital de Referencia Nuclear ...................................................................... Bibliografía ............................................................................................................................. 388 389 393 400 401 401 401 401 401 401 401 401 402 Capítulo 11. Evaluación de la toxicidad y del riesgo. Toxicología experimental Fuentes del conocimiento toxicológico................................................................................... Experimentación toxicológica: objetivos, fundamentos y tipos.............................................. Objetivos básicos de la experimentación toxicológica....................................................... Principios de la experimentación toxicológica .................................................................. Tipos de investigaciones toxicológicas experimentales...................................................... Diseño y componentes de los modelos toxicológicos experimentales.................................... El sustrato biológico /especie animal................................................................................. Número y distribución de las unidades experimentales ..................................................... Selección de las dosis y grupos .......................................................................................... Elección de la vía de exposición......................................................................................... Periodo de exposición......................................................................................................... Biomarcadores de toxicidad /toma de muestras................................................................. Análisis de resultados ......................................................................................................... Modelo predictivo............................................................................................................... Condiciones generales........................................................................................................ Principales ensayos toxicológicos regulados .......................................................................... Toxicidad aguda ................................................................................................................. Capacidad corrosiva .......................................................................................................... Capacidad irritante dérmica y ocular ................................................................................ Capacidad sensibilizante.................................................................................................... Toxicidad por exposición repetida o prolongada ............................................................... Carcinogenicidad ............................................................................................................... Mutagenicidad .................................................................................................................... 403 404 404 404 407 408 409 411 413 413 414 414 416 418 418 419 419 423 424 425 425 426 427 00 toxicologia alim XVI 10/12/08 09:28 Página XVI CONTENIDO Toxicidad para la reproducción y el desarrollo ................................................................. Toxicidad para el medio ambiente...................................................................................... Cinética en el organismo y el medio ambiente................................................................... Otros tipos de estudios........................................................................................................ Propiedades fisicoquímicas ................................................................................................ Métodos alternativos. Toxicidad in vitro ................................................................................. Justificación de los ensayos in vitro ................................................................................... Ventajas e inconvenientes de los ensayos in vitro............................................................... Métodos de toxicología molecular .......................................................................................... Las reglamentaciones sobre la experimentación toxicológica ................................................ Requerimientos reguladores ............................................................................................... Protocolos de ensayo.......................................................................................................... Buenas Prácticas de Laboratorio....................................................................................... Protección de los animales de experimentación. Legislación ............................................ Legislación de protección de los trabajadores ................................................................... Análisis del Riesgo Tóxico...................................................................................................... Identificación de los peligros potenciales .......................................................................... Evaluación dosis - respuesta (toxicidad / seguridad)......................................................... Evaluación de la exposición ............................................................................................... Caracterización del riesgo ................................................................................................. La gestión o manejo del riesgo........................................................................................... Comunicación del riesgo.................................................................................................... Control o seguimiento del riesgo........................................................................................ El sistema REACH.............................................................................................................. Bibliografía.............................................................................................................................. 429 432 433 435 436 437 441 441 443 444 444 444 446 449 450 450 452 454 454 456 460 460 461 461 464 Capítulo 12. Toxicología clínica Centros antitóxicos .................................................................................................................. Servicio de información y asesoramiento toxicológico (SIT o CIT) .................................. Servicio de análisis toxicológico ........................................................................................ Servicio de tratamiento de intoxicados .............................................................................. Coordinación intercentros ....................................................................................................... Farmacovigilancia y toxicovigilancia ................................................................................ Epidemiología de las intoxicaciones ....................................................................................... Bibliografía.............................................................................................................................. 468 468 470 471 471 472 473 477 Capítulo 13. Diagnóstico de la intoxicación Signos anatomopatológicos de la muerte por intoxicación ..................................................... Disposición del cadáver ..................................................................................................... Coloración de la piel .......................................................................................................... Corazón y aparato circulatorio .......................................................................................... Pulmón................................................................................................................................ Cerebro ............................................................................................................................... Hígado ................................................................................................................................ 480 480 480 482 482 482 482 00 toxicologia alim 10/12/08 09:28 Página XVII CONTENIDO Bazo .................................................................................................................................... Riñón................................................................................................................................... Estómago e intestino........................................................................................................... Diagnóstico biológico.............................................................................................................. Parámetros biológicos y bioquímicos: Biomarcadores ...................................................... Experimentación animal y vegetal...................................................................................... Ensayos inmunológicos ...................................................................................................... Bibliografía.............................................................................................................................. XVII 482 482 483 483 483 490 492 492 Capítulo 14. El análisis químico-toxicológico Niveles de complejidad de los Laboratorios de Toxicología................................................... Fases de actividad en un laboratorio de Toxicología .............................................................. La muestra para el análisis toxicológico (judicial, clínico, ambiental) ................................... Cadena de custodia.................................................................................................................. Consideraciones generales sobre las muestras biológicas ................................................ Introducción al análisis químico-toxicológico ........................................................................ Modalidades del análisis químico-toxicológico ...................................................................... Fases de un análisis químico-toxicológico general ................................................................. Dotación básica de un laboratorio de Toxicología analítica.................................................... Orientación de los análisis toxicológicos ................................................................................ Información general ........................................................................................................... Información clínica ............................................................................................................ Variables que influyen en los resultados analíticos ................................................................. Momento de toma de la muestra......................................................................................... Estabilidad del compuesto en la muestra ........................................................................... Amplitud y reproducibilidad del método analítico ............................................................. Interferencias en el método ................................................................................................ Normativas de Garantía de calidad en los análisis toxicológicos............................................ Interpretación de los resultados analíticos............................................................................... El riesgo de la excesiva sensibilidad instrumental............................................................. El informe toxicológico........................................................................................................... Bibliografía.............................................................................................................................. 494 496 497 497 498 502 503 503 503 504 504 505 505 505 506 507 508 509 510 512 518 519 Capítulo 15. Sistemáticas analíticas toxicológicas Clasificación de los tóxicos conforme a los métodos de análisis............................................ Sistemáticas analíticas toxicológicas....................................................................................... Sistemáticas para gases y vapores ........................................................................................... Gases tóxicos en la atmósfera ............................................................................................ Sistemáticas para tóxicos inorgánicos ..................................................................................... Preconcentración................................................................................................................ Especiación......................................................................................................................... Técnicas electroanalíticas .................................................................................................. Determinación directa por espectrofotometría EAA .......................................................... 521 521 523 524 525 526 526 527 528 00 toxicologia alim XVIII 10/12/08 09:28 Página XVIII CONTENIDO Espectrometría de emisión de plasma ................................................................................ Técnicas cromatográficas. Electroforesis........................................................................... Sistemáticas para tóxicos orgánicos ........................................................................................ Hidrólisis y digestiones ...................................................................................................... Extracciones con disolventes orgánicos............................................................................. Métodos previos y simplificados de análisis toxicológico ...................................................... Inmunoensayos........................................................................................................................ Ventajas e inconvenientes de los inmunoensayos ............................................................... Métodos químicos simplificados......................................................................................... Análisis toxicológico del pelo ................................................................................................. Bibliografía.............................................................................................................................. 528 528 528 529 529 538 538 540 541 542 543 Capítulo 16. Bases generales para la asistencia y tratamiento de intoxicados Primeros auxilios al intoxicado ............................................................................................... Vía inhalatoria.................................................................................................................... Vía cutánea......................................................................................................................... Vía digestiva ....................................................................................................................... Vía rectal ............................................................................................................................ Tratamiento médico cualificado .............................................................................................. Mantenimiento de las funciones respiratoria y circulatoria ............................................. Diagnóstico clínico y analítico........................................................................................... Intensificación clínica de las medidas de urgencia ............................................................ Tratamiento específico y antidótico.................................................................................... Tratamiento sintomático ..................................................................................................... Vigilancia y control............................................................................................................. Complicaciones de las intoxicaciones agudas......................................................................... Síndrome serotoninérgico y Síndrome maligno por neuroléticos....................................... Diagnóstico y tratamiento de las lesiones por radiaciones...................................................... Prioridades en el tratamiento de las víctimas de desastres químicos ...................................... Bibliografía.............................................................................................................................. 545 546 547 549 551 551 552 553 553 556 557 557 558 559 560 562 563 Índice analítico ........................................................................................................................... 565 00 toxicologia alim 10/12/08 09:28 Página XIX Prólogo a la cuarta edición El tiempo transcurrido desde la 3ª. edición, con la consecuente evolución de los conocimientos toxicológicos, y el haberse agotado los ejemplares correspondientes a la misma, nos han decidido a afrontar una nueva edición que, introduzca los más importantes avances en las distintas facetas de esta ciencia. También hemos querido mantener la estructura de la obra, con capítulos dedicados a los principales cimientos de la Toxicología, partiendo desde bases químicas, biológicas, bioquímicas, anatómicas y fisiológicas, que permitan a los estudiosos, cualquiera que sea su formación previa, introducirse directamente en cada uno de los temas; se ha dado especial atención a los nuevos conocimientos en mecanismos de toxicidad, para nosotros fundamentales para explicar los procesos fisiopatológicos y los abordajes terapéuticos así como para interpretar los resultados analíticos y la valoración del riesgo. Nunca nos cansaremos de insistir en que la Toxicología mecanicista es hoy más importante que la descriptiva clásica con el estudio de tóxico a tóxico, relegado a diccionarios o enciclopedias. Para esta actualización he contado con la colaboración de mi hijo Guillermo, quien ya me había ayudado en ediciones anteriores, toxicólogo bien curtido en la investigación, en la documentación y en la docencia universitaria, todo lo cual me llena de satisfacción y orgullo. Nuevamente hemos querido buscar el equilibrio entre recoger los nuevos conocimientos frente a nuestra preocupación por seguir manteniendo la obra dentro de unas dimensiones que atraigan al estudioso, aunque, obviamente, el volumen sea mayor en cada nueva edición. En esta disyuntiva hemos tenido muy presente la calurosa acogida y las opiniones de los profesores y alumnos de los países de habla española que utilizan el libro. Nuestro sincero reconocimiento a todos ellos, así como a la Editorial Díaz de Santos por las continuas atenciones que dedica a nuestras obras y el interés con que las publica. Manuel REPETTO XIX 00 toxicologia alim 10/12/08 09:28 Página XX 00 toxicologia alim 10/12/08 09:28 Página XXI Prefacio. Desastres tóxicos Tradicionalmente se ha venido considerando que las intoxicaciones eran hechos fortuitos, generalmente aislados, normalmente intencionados, o en ocasiones de carácter epidémico, a consecuencia de la ingestión de alimentos o plantas nocivas; pero en la actualidad no sólo tiene importancia la intoxicación dramática, de cuadro clínico evidente, sino que importa, aún más si cabe, el elevado número de intoxicaciones subclínicas, crónicas o no, de presentación sinuosa, cuadros difusos y de difícil diagnóstico. La era tecnológica e industrial ha puesto en manos del hombre, para su uso cotidiano, unos ciento setenta mil productos, de los treinta y cinco millones de sustancias químicas que han sido sintetizadas (Registro del Chemical Abstract Service, División de la American Chemistry Society, mayo, 2008), número que se incrementa sin cesar con los millares que se sintetizan cada año, y estos productos, de innegable utilidad en la mayoría de los casos, constituyen un arsenal de cuya peligrosidad no solemos tener conciencia. Nuestro diario, y a veces despreocupado, contacto y empleo de los productos químicos (incluidos los farmacéuticos), se traduce en la multiplicación de las intoxicaciones en sus diferentes clases. Por ello, la toxicología se ha afianzado como disciplina, independizándose de sus ciencias madres, y desarrollando, por su parte, una serie de ramas que, en los últimos años, están siendo intensamente cultivadas. Por otra parte, la tendencia de la toxicología moderna, que ya hemos reflejado en las ediciones anteriores de esta obra, es la de cambiar el método descriptivo por el mecanicista, a lo que aún damos más énfasis en la presente; pero tememos que ello pueda inducir a creer que las intoxicaciones agudas se han convertido en casos puntuales y que sólo tienen lugar las sinuosas, crónicas y por nuevas sustancias. Sin embargo, de tiempo en tiempo se producen intoxicaciones masivas, que afectan a un importante número de individuos, por lo que reciben el nombre de desastres o catástrofes químicos o tóxicos (véase definiciones en Cap. 2.) Nos parece que recordar estos episodios trágicos no solamente sirve para tener presente la realidad práctica del riesgo tóxico colectivo, sino también para estimular a la sociedad a mantener mecanismos preventivos, defensivos y de actuación ocasional; ciertamente hay multitud de organizaciones nacionales e internacionales capacitadas para intervenir en cada desastre, pero hemos comprobado que aún se falla en un aspecto para nosotros esencial, como es extraer de cada caso enseñanzas prácticas para evitar o para optimizar la actuación en ocasiones futuras. Por todo ello, relacionamos a continuación los más sonados desastres tóxicos desde el siglo XX: 1900 Manchester (Inglaterra). Tras la ingesta de una cerveza se producen 6.000 XXI 00 toxicologia alim XXII 10/12/08 09:28 Página XXII PREFACIO. DESASTRES TÓXICOS intoxicaciones, 70 mortales, erróneamente diagnosticadas y conocidas como neuritis alcohólica; posteriormente y gracias a mejores análisis, se comprobó que fueron debidas no al alcohol sino a un compuesto arsenical que procedía, al parecer, del empleo de ácido sulfúrico técnico (impuro) en la sacarificación. Episodios similares se han repetido posteriormente en distintos lugares del Reino Unido. 1915 Yprés (Bélgica). Tras el bombardeo por los alemanes de las tropas aliadas y la respuesta de éstas con el gas mostaza, desde entonces llamado también yperita, se afectaron unos 100.000 soldados de ambos bandos. 1921 Alberta (Canadá). Posteriormente en EE UU. Vacas alimentadas con trébol dulce enmohecido (que transforma la cumarina en dicumarina) experimentan diátesis hemorrágica o «enfermedad del trébol»; dio lugar al descubrimiento del primer anticoagulante oral, y la observación de que se recuperaban los animales que comían alfalfa permitió descubrir en ésta la vitamina K. 1930 Valle del Mosa (Bélgica). En un solo día, a principios del mes de diciembre, fallecen 60 personas y enferman varios miles, a consecuencia de que la inversión de la temperatura ambiental favoreció la concentración de sustancias tóxicas en el aire de esta zona industrial. Junto con los episodios acaecidos en Donora (1948), Londres (1952) y Los Ángeles (1977) han sido los primeros casos dramáticos estudiados de contaminación ambiental. 1929-31 EE UU. Intoxicación colectiva conocida como «parálisis de la ginebra», que afectó a más de 20.000 personas. El agente fue tricresil-o-fosfato, que fue utilizado para preparar extracto de jengibre. 1937 EE UU. Se comercializó un elixir de sulfanilamida al 10 por 100 en dietilenglicol para el tratamiento de la faringi- 1948 1950 tis estreptocócica, sin haber realizado ensayos de seguridad, confiando en que ya se utilizaba esta sulfamida en comprimidos. Fallecieron 107 personas, niños en su mayoría; se suicidó el fabricante y motivó al gobierno a promulgar la Food, Drug and Cosmetic Act (TOSCA, 1938). Con la misma etiología se han originado intoxicaciones masivas en distintos países (véase más adelante, como ejemplos, 1985, Austria; 1990, Nigeria; 1992, Argentina; 1995-96, Haití; 1998, India; 2006, Panamá) y aunque suele decirse que la causa fue una contaminación, en realidad lo normal es la sustitución de polietilenglicol por dietilenglicol, incluso pudiera pensarse en la existencia de una farmacopea defectuosa con recetas erróneas. Durante 2007 se han detectado, y ordenado retirar, en numerosos países de Occidente unos dentífricos fabricados en China, falsificaciones de marcas muy conocidas internacionalmente, y que contenían hasta un 6 por ciento de dietilenglicol; se vendían en tiendas de bajo precio, y también habían sido distribuidos en kits de higiene personal en hospitales, hoteles, aviones, etc. Donora, Pensilvania (EE UU). A finales del mes de octubre, la inversión de la temperatura agravó y mantuvo la polución; en 4 días se afectan unas 6.000 personas y mueren 17, pasando el peligro cuando la lluvia limpió el aire. Toyama (Japón). La explotación intensiva de una antigua mina, por los requerimientos de la II Guerra Mundial, provocó la contaminación de la cuenca del río Jinzu por diversos compuestos metálicos, principalmente de cadmio; también se dice que el drenaje de los campos de arroz permitió la oxidación del ion S= del suelo a SO4=, lo que favoreció la disolución del cadmio. Aunque desde 1912 se conocían casos de muertes de peces y de enfermedad humana, 00 toxicologia alim 10/12/08 09:28 Página XXIII PREFACIO. DESASTRES TÓXICOS 1952 1953 1956 se consideraba una patología endémica de la zona atribuida a una bacteria; en 1955 el Dr. Ogino (o Hagino) la relacionó con el cadmio y la denominó enfermedad de Itai-itai (en japonés, gritos de dolor), caracterizada por disentería, desmineralización, osteoporosis y osteomalacia con intenso dolor, malformaciones y fracturas óseas, así como nefropatía. Se registraron innumerables afectados. Londres, UK. A principios del mes de diciembre, en una semana fallecen unas 10.000 personas a causa de la contaminación del aire motivada por las calefacciones domésticas, concentrada por influencia de dos anticiclones, aire frío y la niebla. Los principales contaminantes eran óxidos de azufre (SOx), óxidos de carbono (COx) y materia particulada, constituyendo lo que se llamó smog (contracción de las palabras smoke, humo, y fog, niebla, y traducido por algunos como neblumo); es el smog químico, diferente del habitual en Los Ángeles. Japón, Bahía de Minamata. Parálisis sensorio-motora letal, conocida como enfermedad de Minamata , que afectó a 169 casos registrados y 3.000 estimados. El agente fue el metilmercurio acumulado por los peces (principal alimento de la población) procedente de efluvios industriales; compuestos orgánicos e inorgánicos de mercurio presentes en las aguas residuales fueron transformados por el plancton y los crustáceos en tiometil-mercurio, que al ser consumido por los peces formaba en sus músculos metilmercurio-cisteína. Iraq. Intoxicación masiva por harina de trigo cuyo grano había sido tratado con el fungicida etilmercurio-p-toluensulfanilida. Se han repetido intoxicaciones de igual etiología al consumirse granos destinados a la siembra, adicionados de conservadores. 1959 1960 1961 XXIII Paquistán. Treinta y cuatro muertos, intoxicados por trigo tratado con etilmercurio y acetato de metilmercurio. Posteriormente, 1971, se produjeron en Iraq 6.148 intoxicaciones, con 452 muertes por granos protegidos contra los hongos con compuestos similares. Marruecos. Dos mil personas experimentaron la parálisis del aceite, al consumir un aceite adulterado con lubricante usado de aviones, que contenía mezcla de 2, 3 y 4-cresilofosfatos. Holanda. Se registraron 16.250 intoxicaciones humanas, aunque se calcula que el número de afectados fue superior a 50.000, por la enfermedad de la mantequilla, una especie de «enfermedad del suero», de tipo alérgico, originada por un emulsionante comercial consistente en un éster del ácido maléico y la glicerina, empleado en la fabricación de margarina. No se consiguió reproducir en animales, probablemente debido a que su mecanismo es inmunitario. También en los Estados Unidos de América se produjo una intoxicación paralítica por la mantequilla consecuentemente al empleo como envolvente de un papel plastificado con tricresilortosfosfato, que fue absorbido por el alimento. Europa (Alemania, Gran Bretaña, etc.), Australia, Canadá, Japón. Se advierte el nacimiento de 10.00012.000 niños con graves malformaciones, de madres que habían tomado en los tres primeros meses del embarazo (30 a 50 días después de la última menstruación, período de la organogénesis) el medicamento talidomida. Las malformaciones consistían principalmente en deformidades de las extremidades o ausencia de parte del brazo con mano en forma de aleta (focomelia), y también lesiones en ojos, orejas, genitales, riñones, tubo digestivo, boca, sistema nervioso, etc. El producto (alfa-naftilimidoglutarimida) se había prescrito en 00 toxicologia alim XXIV 10/12/08 09:28 Página XXIV PREFACIO. DESASTRES TÓXICOS 1965-66 los países aludidos como ansiolítico e hipnótico y contra las náuseas y vómitos del embarazo, pero no en los EE UU, donde la FDA se había opuesto a causa de la inducción de algunas neuropatías periféricas (sensaciones de quemazón, adormecimiento u hormigueo en extremidades, etc.). El desastre demostró la necesidad de amplios estudios toxicológicos preclínicos y de minimizar la exposición de las embarazadas a las sustancias químicas. El compuesto se introduce en un nucleótido de la región promotora de genes específicos ( IGF-1 y FGF-2) y los bloquea. Dichos genes se expresan en la síntesis de los factores de crecimiento 1 y 2, conocidos como integrinas, que estimulan la angiogénesis en el embrión al principio del desarrollo de los miembros. Compite así con un factor de transcripción (Sp1) que participa en la regulación de un gran número de genes, y también inhibe la producción de la citoquina factor alfa de necr osis tumoral (FNT-α), asociado a varias enfermedades inflamatorias, y que actúa oponiéndose a la angiogénesis. Por ello, posteriormente ha encontrado aplicación en el tratamiento de diversas afecciones como el eritema nodoso de la lepra, lupus eritematoso, artritis reumatoide, úlceras del SIDA y otras enfermedades, cáncer terminal, mieloma múltiple, etc., y se experimenta en la degeneración macular, aunque con grandes precauciones, principalmente ante posibilidad de embarazo. Sin embargo, en algún país en vías de desarollo se ha generado un mercado negro del medicamento y usos sin control médico, especialmente entre enfermos de SIDA, que está dando lugar al nacimiento de niños con malformaciones. Quebec (Canadá). El empleo de sulfato y cloruro de cobalto como estabilizador de la espuma de cerveza originó un brote epidémico grave de miocardiopatía degenerativa, con sufusión pericárdica, elevación del nivel de hemoglobina, fallo cardíaco congestivo, úlceras gástricas y lesiones tiroideas. Episodios similares se han registrado también en Bélgica y en Omaha (EE UU). 1961-1971Vietnam. Durante los años que duró la conocida como Guerra de Vietnam, el ejército norteamericano bombardeó el país con productos tóxicos (se dijo que ochenta y dos millones de litros), principalmente el incendiario napalm y el desfoliante y herbicida agente naranja, con el objeto de destruir la vegetación en que se pudiera emboscar el enemigo, arrasando así unos dos millones de hectáreas. El agente naranja estaba constituido por 2,4-diclorofenoxiacético (2,4-D) y 2,4,5-triclorofenoxiacético (2,4,5-T), y contenía como impureza policlorodibenzodioxinas, que también se forman por pirosíntesis cuando se calientan las sustancias citadas, lo que ocurriría al incendiar la vegetación. Se afirma que la elevada toxicidad de las dioxinas afectó a cerca de un millón de personas, entre habitantes y contendientes, incluidos soldados aliados de los norteamericanos procedentes de diversos países; se han observado efectos genotóxicos en individuos de la cuarta generación. Con mucho menor dramatismo, por el escaso número de afectados, se intoxicaron drogadictos que fumaron cigarrillos de marihuana incompletamente destruidos en un tratamiento similar realizado sobre una plantación ilegal de cannabis en Nuevo México. Además del episodio ocurrido en Seveso (véase más adelante), citaremos dos ejemplos relacionados: En marzo de 1999, se originó gran mortandad de pollos en varias granjas belgas; se descubrió que los piensos consumidos habían sido enriquecidos con grasas de diversa procedencia, como aceite de transformadores eléctricos con bifenilos policlorados (PCB), los cuales por calen- 00 toxicologia alim 10/12/08 09:28 Página XXV PREFACIO. DESASTRES TÓXICOS 1971 tamiento también generan dioxinas. Los estados europeos suspendieron el comercio de pollos y huevos belgas durante seis meses; afortunadamente, la alarma producida por la muerte de los pollos evitó intoxicaciones humanas. En septiembre del año 2004, Víctor Yushchenko, candidato a la presidencia del gobierno de Ucrania, fue envenenado, desarrollando cloroacné, hinchazón y desfiguración del rostro, que le quedó con señales como las de la viruela, etc. En laboratorios de Viena y Amsterdam se descubrió en su sangre altas concentraciones de dioxinas (TCDD). EE UU. Se registró un número indeterminado de aparición de adenoma vaginal en muchachas de 14-22 años, cuyas madres habían recibido tratamiento con dietilestilbestrol (DES) en el primer trimestre de gestación para evitar el aborto espontáneo. 1970-2000 Costa Rica, Costa de Marfil, Ecuador, Filipinas, Guatemala, Honduras, Nicaragua, Panamá, República Dominicana, etc. Se calcula que unos 50.000 trabajadores agrícolas, principalmente en cultivos de bananas, fueron afectados por el uso del insecticida (nematocida) DBCP ( 1,2-dibromo-3cloropropano), más de 20 años después de haberse prohibido en EE UU. Se demostró (mediante espermiograma) la inducción de esterilidad y trastornos psíquicos consecuentes, y se le atribuyeron tumores, ceguera, atrofia muscular, diabetes, etc., con correlación entre las patologías y el tiempo de exposición. 1975 Afganistan. Treinta y cinco mil personas se intoxicaron por alimentos contaminados por Hellotropium popovi, que contiene alcaloides pirrolizidínicos, causantes del síndrome veno-oclusivo. 1976 Italia, comarca de Seveso. Escape de tetraclorodibenzo-p-dioxina de una fábrica de productos farmacéuticos que estaba preparando triclorofenol. Se pro- 1977 1977 1978 1980 XXV dujo un número no bien conocido de intoxicaciones (más de 5.000) de diversa gravedad y evolución, y se autorizó la provocación de abortos por temor a las posibles teratogénesis. India. 268.000 neurointoxicaciones y porfirias registradas, consecuentes al consumo de harinas procedentes de granos tratados con el fungicida hexaclorobenceno. Ya en 1956 se habían registrado intoxicaciones similares en Turquía, y posteriormente casos aislados en diferentes países, de niños intoxicados por este producto añadido al polvo de talco; ello dio lugar a la prohibición de este aditivo en cosméticos. Los Ángeles, EE UU. Seis millones de automóviles y la industria de la zona lanzan al aire diariamente 700 toneladas de contaminantes, principalmente óxidos de nitrógeno (NOx), ozono (O3) e hidrocarburos que, al reaccionar por la actividad lumínica, constituyen lo que se denominó smog fotoquímico. España. Unas 200 intoxicaciones, con varias muertes, producidas por la adición, en Extremadura, de arseniato sódico en lugar de citrato sódico, a un vino para controlar la acidez. Buenos Aires. Los pediatras diagnostican varios casos de acrodinia (enfermedad multiorgánica, que se manifiesta por parestesia y trastornos de la sensibilidad en las extremidades, con enrojecimiento, erupción y exfoliación de la piel y afectación renal) y alertan sobre una posible contaminación mercurial, que se confirma por el hallazgo de altos niveles de mercurio en la orina de los niños. Una inteligente investigación sanitaria descubre que una lavandería de pañales los había tratado con fenilmercurio, como medio de protección antifúngica, lo que expuso a un número de lactantes comprendido entre 7.000 y 10.000 al tóxico. Afortunadamente no murió ningún niño, y a los dos años se 00 toxicologia alim XXVI 10/12/08 09:28 Página XXVI PREFACIO. DESASTRES TÓXICOS 1981 comprobó que los 23 más afectados habían recobrado la normalidad clínica y analítica. España. Síndrome del Aceite Tóxico, epidemiológica y oficialmente (OMS) reconocido como debido a un aceite de colza desnaturalizado con anilina, destinado a usos industriales. Se registraron más de 24.396 casos (unos 584 mortales), de cuadros con muy lenta evolución, que comenzaba por una enfermedad pulmonar (neumonía atípica), pasaba por afectaciones cutáneas (prurito, urticaria, exantema, esclerodermia, síndrome de Sicca), pérdida total de grasa corporal y de masa muscular (que ocasionaba insuficiencia respiratoria) y neuropatía periférica; pacientes que sobrevivieron bastante tiempo, generalmente gracias a atención fisioterapéutica, desarrollaron cánceres. El aceite, procedente de países de Europa central, se importaba en España con destino a la industria metalúrgica, y para evitar su uso alimentario, al que se aplicarían mayores impuestos, se le añadió en la aduana, si no lo llevaba ya adicionado, el colorante anilina, que por oxidación adquiere color oscuro y olor desagradable, a pesar de lo cual, pero gracias a su bajo precio, fue consumido por numerosas personas. Por rigurosos estudios epidemiológicos se comprobó que aproximadamente a la semana de la ingestión y, generalmente, tras varias tomas, aparecían los síntomas en la secuencia señalada, comprobándose que los aceites consumidos contenían anilidas grasas (derivadas de la reacción de anilina con los diferentes ácidos grasos de los aceites) en concentraciones superiores a 700 ppm. También se detectaron en los aceites, pero en muy pequeña proporción, y se lograron sintetizar, unos productos de reacción del glicerol de los triglicéridos con la anilina (aminoglicéridos), que resultaron ser de elevada toxicidad. 1984 1985 1987 1989 A pesar de los numerosos estudios efectuados en diversos laboratorios españoles y extranjeros, no se logró reproducir el síndrome en animales de experimentación, aunque sí, y en diversas especies, diversos síntomas aislados, cuando se les administraba los aceites implicados o anilidas obtenidas por síntesis. Años antes, un laboratorio farmacéutico japonés había sintetizado y experimentado diversas anilidas como fármaco hipolipemiante. Se desecharon por descabelladas y sin base epidemiológica alguna propuestas de otros agentes causales, como virus, metales, armas químicas, plaguicidas, etc. De las diversas hipótesis fisiopatológicas que se propusieron y estudiaron, la que se mantuvo por más tiempo fue la inmunitaria. India. Tragedia de Bhopal, que se dijo afectó a 200.000 personas, con 3.800 muertos, a causa del escape de metilisocianato de una fábrica de agroquímicos. El gas es un violento irritante de las mucosas oculares y respiratorias y por hidrólisis genera ion CN–. Austria. Se intoxican 21 personas por ingestión de un vino blanco que había sido endulzado con dietilenglicol. Olavarria (Argentina). Un plaguicida arsenical (arsenito sódico), habitualmente usado en el medio rural para progener al ganado de la picadura de insectos, contaminó grandes cantidades de carne y productos cárnicos, al parecer tras un robo en una carnicería. Se produjo intoxicación aguda de unas 720 personas, alguna de las cuales requirieron tratamiento con BAL. EE UU. Se utilizaba el aminoácido Ltriptófano como medicamento antidepresivo (práctica ahora prohibida) y como suplemento dietético con fines anabolizantes entre gimnastas culturistas, pero el laboratorio farmacéutico japonés que lo fabricaba, mediante un proceso de biosíntesis fermentativa, 00 toxicologia alim 10/12/08 09:28 Página XXVII PREFACIO. DESASTRES TÓXICOS 1990 1990 1992 1992 1992 1995 modificó por ingeniería genética la bacteria responsable, y el producto resultó contaminado con un dímero del triptófano. Se afectaron unas 5.000 personas, 1.500 quedaron con daño permanente y 37 murieron a causa de un síndrome de eosinofilia-mialgia, caracterizado por aumento de eosinófilos, intenso dolor muscular, trastornos neurológicos, inflamación generalizada, lesiones esclerodermiformes, fatiga, hipertensión pulmonar, etc. Bangladesh. Se intoxican 300 personas, con 200 fallecidos, por dietilenglicol en un jarabe de paracetamol. Nigeria. Nueva intoxicación por dietilenglicol en jarabe de paracetamol, con 109 fallecimientos. Argentina. Se producen 25 fallecimientos por un tónico con dietilenglicol. Uruguay. Se registran 118 intoxicados (trastornos gastrointestinales, auditivos y renales) por el uso de bromato potásico como aditivo (blanqueante) en panadería y pastelería. Alicante (España). En una empresa textil en que se realizaba estampación de tejidos mediante pintura a pistola de aire, 116 trabajadores desarrollan una neumonía organizada, con fibrosis intersticial y disminución de la función respiratoria; seis de los pacientes fallecieron. La aparición del brote coincidió con la introducción en la pintura de un producto plástico resultante de la reacción del ácido adípico y la dietilentriamina, que parece que también está relacionado con un brote de enfermedad respiratoria similar localizado en Orán (Argelia). Tokio (Japón). El día 20 de marzo, miembros de una secta religiosa (¿) japonesa denominada «del juicio final» vierten, en trenes de tres líneas del metro de Tokio, el compuesto organofosforado, considerado gas de guerra, sarin GB (isopropil-metil-fluorofosfonato), lo que afectó a 5.500 personas de las que fallecieron 12; aparte de las lesiones en aque- 1995-96 1998 2002 2002 XXVII llas, muchas requirieron posterior tratamiento psicológico. Afortunadamente, no se aplicó el producto en forma de aerosol que hubiera sido mucho más dañino. Haití. Fallecen 89 personas, principalmente niños, con un jarabe de paracetamol con dietilenglicol. India. 33 muertes por un jarabe con dietilenglicol (véanse años 1937, 1985, 1995, 2006 y 2007). Nanjin (China). Más de 300 personas se intoxicaron (100 muertes) con el raticida tetramina (tetrametilen disulfotetramina), que posee un efecto antagonista del gamma-amino butirato (GABA), por bloqueo de sus receptores; aunque el efecto puede ser reversible, provoca inicialmente estimulación sobre el sistema nervioso central y corazón, seguido de desvanecimiento, pérdida de conciencia, temblores, convulsiones, espuma en la boca, incontinencia, y muerte. La dosis letal media (DL 50) en mamíferos es de 0,1 mg /kg. Al parecer, el veneno fue añadido a unos bizcochos por el primo del propietario del fabricante, celoso del éxito de éste; el autor fue ejecutado a los pocos días. Moscú (Rusia). Unas 150 personas, entre secuestradores y rehenes murieron, y sobre 700 rehenes presentaron intoxicación grave, durante el asalto por unidades especiales de la policía rusa en un teatro moscovita, mediante el uso de gases narcóticos cuya naturaleza no fue revelada ni siquiera a los médicos que trataron a los intoxicados, y cuyo uso parece que había sido desaconsejado por expertos. El Ministerio de Sanidad ruso admitió muy posteriormente que se trataba de un derivado del fentanilo, lo que fue confirmado por análisis toxicológicos realizados en Alemania a intoxicados de este país; el tratamiento con naloxona había resultado efectivo; también se habló de otros gases, como el éster bencílico de hidroxiquinuclidina, también conocido como BZ y como QNB, agente incapacitante. 00 toxicologia alim XXVIII 10/12/08 09:28 Página XXVIII PREFACIO. DESASTRES TÓXICOS 2006 2007 León (Nicaragua) y otras localidades rurales. Unas 1.000 personas resultaron intoxicadas, casi 100 fallecieron y numerosos quedaron ciegos o con lesiones permanentes, como consecuencia de la ingesta de un aguardiente popular de venta a granel conocido como guaro o guarón o lijo guarón , con alto contenido de alcohol metílico posiblemente obtenido por destilación de madera. Panamá. Panamá. Se registran unos 15.000 posibles intoxicados con 116 muertes a causa de la presencia de dietilenglicol en diversos medicamentos preparados por la Caja de la Seguridad Social, como un jarabe expectorante antigripal, otro jarabe antihistamínico anticatarral con difenhidramina, una pasta dérmica con calamina, etc. (véanse años 1937, 1985, 1995 y 1998 ). Posteriormente, y en diversos países, se han detectado y retirado del mercado pastas dentífricas y diversos cosméticos, fabricados en paísise de economía emergente y escasos controles de calidad, que contenían dietilenglicol. Y si de los desastres tóxicos humanos pasamos a referirnos a las tragedias ecotóxicas debidas a la afectación de los ecosistemas por la llegada más o menos accidental de productos químicos, tenemos suficiente con recoger algunos de los ocurridos en 1986: — España: Reserva Biológica de Doñana, con la muerte de más de 20.000 aves acuáticas por insecticidas. — Suiza: Incendio en una fábrica de plaguicidas de Basilea y llegada al río Rhin de productos procedentes directamente de la fábrica y arrastrados por la lluvia, con la práctica eliminación de la vida animal y vegetal de una parte del río. — Australia: incendio en la ciudad de Sidney, en otra fábrica de productos químicos. — Rusia: Chernobyl: accidente en planta nuclear que no sólo afectó y alarmó a parte de Europa, sino que al parecer sirvió de pantalla para encubrir otros escapes radiactivos ocurridos por entonces. En 2006, a los veinte años de la catástrofe, un informe de la OMS (IAEA/WHO, TORCH Report, 2006) calcula que, además de las personas que fallecieron cuando el accidente, en este período de tiempo han muerto de cáncer unas 9.000 personas, principalmente entre los trabajadores que participaron en los rescates y, además, unas 5.000 que eran niños y adolescentes cuando la explosión han desarrollado cáncer de tiroides, el tejido más sensible a aquél tipo de radiaciones (yodo radiactivo), leucemia, afecciones diversas en el sistema inmunitario, nervioso, circulatorio, respiratorio, etc., y se estima que en los próximos años fallecerán unos 4.000 más (véase Agentes físicos, Cap. 2). Otras instituciones rebajan grandemente estas cifras, pero otras distintas las elevan considerablemente. En cuanto al impacto medioambiental, casi todos los informes coinciden en que la zona aún contaminada (Bielorrusia) es de unos 150.000 km cuadrados (la tercera parte de España), y está presente en la tierra, el agua y los árboles, aunque los bosques de coníferas próximos a la central nuclear se talaron completamente. Y por citar sólo dos catástrofes ecotóxicas más recientes: 1998 Aznalcollar (España). En la citada población, a 35 Km. de Sevilla, se rompe una presa que retiene los desechos del proceso de separación por decantación en una mina, que se explota desde la época romana. La rotura vierte a los ríos Agrio y Guadiamar unos 4,5 hectómetros cúbicos de aguas y lodos y se afectan 4.400 hectáreas, con amenaza del Parque Nacional de Doñana y a la selecta fuente piscícola y marisquera de la desembocadura del río Guadalquivir. Las altas concentraciones de metales, especialmente de arsénico, plomo, cobre, cinc, antimonio, cadmio, etc. provocan la degradación de la zona; en 2001 aún se mantiene la contaminación, y en enero de 2002 se lamenta la UNES- 00 toxicologia alim 10/12/08 09:28 Página XXIX PREFACIO. DESASTRES TÓXICOS 2005 CO; el gobierno regional planifica un «corredor verde» permanente de 40 Km. de longitud y hasta 1 de ancho, sin aprovechamiento agrícola ni ganadero. China. El 13 de noviembre, la explosión en una planta petroquímica próxima a la ciudad de Harbin, al NO de China, provoca la contaminación del río Amur, uno de los seis más largos del mundo, y afec- XXIX tación del río Songha que prosigue hacia Rusia. El desastre se acompaña de otro similar en Chongqing, en el centro del país, que vierte al Yangtsé. Se pone en peligro un amplio territorio, incluyendo la zona rusa próxima, ríos y lagos, con unos 1,2 millones de personas, a quienes se aconseja no utilizar el agua ni la pesca en dos meses. 00 toxicologia alim 10/12/08 09:28 Página XXX 01 toxicologia alim 24/11/08 1 10:15 Página 1 DESARROLLO Y EVOLUCIÓN HISTÓRICA DE LA TOXICOLOGÍA PERIODO PRIMITIVO. EDAD ANTIGUA El veneno en la caza, la mitología y el delito Puede decirse que cada época histórica ha tenido su tóxico, y que los venenos han desempeñado un importante papel en la historia, sea con fines positivos (caza, exterminio de plagas o animales dañinos, medicamentos, etc.) o con fines criminales, lo cual ha hecho que su estudio, es decir, la toxicología, se haya desarrollado gradual y paralelamente a estas prácticas. Es de suponer que el hombre prehistórico ya tuvo conocimiento de propiedades tóxicas de algunas sustancias minerales, animales o vegetales. La experiencia ha enseñado al hombre qué sustancias resultan perjudiciales y cuáles no lo son tanto, y algunas de ellas fueron empleadas por el hombre primitivo para la caza y, posteriormente, con fines euforizantes, terapéuticos o criminales. Muy probablemente fueron los productos de origen vegetal los tóxicos primeramente manejados. Así, en algunos palafitos de la Edad del Bronce se han encontrado frutos del papaver. Investigaciones arqueológicas de G. SaintHilaire y Parrot han proporcionado conocimiento sobre el empleo de tóxicos por los hombres del Paleolítico, que impregnaban las puntas de lanzas o flechas con diferentes sustancias. Aun hasta nuestros días, los bosquimanos de África han seguido utilizando para ello mezclas de Amaryllis distichia, varias especies de Euphorbium y Acocanthera; algunos pueblos utilizaron también venenos de serpientes y de araña negra. Otras tribus africanas han empleado desde tiempo inmemorial semillas de Strophantus hispidus o Strophantus kombe. Aristóteles (384-322 a.C.) apunta el uso del veneno de víboras, y Estrabón (63-20 a.C.) el de peces. Dioscórides (siglo I) cita el uso del tejo y el eléboro (tetanizante e hipotensor), también usado por los castellanos con el nombre de «yerba de las ballestas», y como expone Scarlato (2007) se observa claramente una diferenciación regional en el uso de estos venenos; en Japón el acónito, en Oceanía los tetanizantes y sofocantes, y en América una gran diversidad, como tuvieron ocasión de comprobar los descubridores. En la zona del Amazonas se usa preferentemente el curare y el estrofanto en las «flechas herboladas», en Colombia, Panamá, Nicaragua, Costa Rica, sur de Venezuela, Guayana, etc., se emponzoñaban flechas con ácaros (que contienen numerosos alcaloides) y venenos de reptiles, como la rana dorada, sapo minero, etc. (Dendrobates auratus o tinctorius, Phylobactes terribilis o bicolor) en que los indios clavaban flechas y ponían cerca del fuego, para que con el calor segregara el veneno. Y en América del Norte, los pieles rojas y mexicas aplicaban los venenos de serpientes y alacranes. 1 01 toxicologia alim 2 24/11/08 10:15 Página 2 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Figura 1.1. Papiro de Ebers (aprox. 1500 a. C.). Escrito en caracteres hieráticos (escritura jeroglífica culta egipcia). Se conserva en el museo de Leipzig (Alemania). Se sabe que el emperador del Japón ShenNung (3.500 a.C.) poseía un jardín botánico con plantas medicinales y tóxicas; posteriormente los japoneses extraían un cardiotóxico del crisantemo. En Egipto de los faraones se utilizaban diversos tóxicos cuyo conocimiento estaba reservado a los sacerdotes, como ocurría en muchas tribus primitivas. El veneno más clásico de todos los tiempos ha sido el arsénico, en forma de diferentes compuestos, y ya figura en lo que se tiene por el texto de medicina más antiguo, escrito hace más de cuatro mil años en tablillas de barro encontradas en Mesopotamia por el norteamericano Samuel S. Kramer en 1956. En el Papiro de Ebers datado hacia el año 1500 antes de Cristo, (descubierto por el egiptólogo alemán Georg Ebers) se encuentra la documentación escrita más antigua acerca de medicamentos y de venenos, con referencias a plomo, antimonio, cobre, cáñamo índico, papaver, conina, acónito, hioscina, helebro, opio, etc. De la misma época es el papiro egipcio de Hearst, con referencias al veneno de las serpientes y de otros animales. En el Papiro de Saggarah se hace referencia a las propiedades tóxicas de la almendra amarga, que, según el Papiro del Louvr e, resulta ser el ejemplo más antiguo del uso de un veneno como medio de ejecución. En los libros Veda (1500 a. C.), especialmente en el Ayurveda o libro de la Ciencia de la Vida, se encuentran citados algunos venenos y se dan recomendaciones para la terapéutica de envenenamientos con antídotos a base de miel, mantequilla, asafétida, etc. En la parte del Ayurveda denominada Surusta, se citan venenos vegetales como el oleandro y minerales como el arsénico y el mercurio, y se habla ya de acciones abortivas. Salomón (972-929 a. C.) en sus Proverbios describe perfectamente la embriaguez alcohólica. Tanto la mitología oriental, como la griega o la romana hacen frecuente empleo de tóxicos, aunque, como dice Mata: «Los dioses no envenenan ni hacen envenenar, por ser este recurso infame e indigno de la majestad de un dios». Se refiere a los dioses de la Tierra, porque los del Mar sí intervienen en suicidios y envenenamientos mitológicos. De todas maneras, las alusiones al tema son frecuentes: [...] de la grieta del Parnaso, donde estaba el Oráculo de Delfos, se desprendía el ácido carbónico, y en algunos sitios el sulfhídrico, gases que aportaban sus propiedades farmacodinámicas a las ceremonias. [...] Una de las flechas de Hércules envenenada con sangre de la hidra de Lerna hirió al centauro Chirón. [...] El cazador Orion fue mordido por una serpiente venenosa. [...] Este mismo animal muerde a Eurídice cuando huye para casarse con Orfeo... También encontramos que Anfitrite, celosa de Neptuno, envenenó las aguas donde se bañaba la ninfa Escila. La laguna Estigia exhalaba gases deletéreos y era considerada como infernal. Pero también en la tierra mitológica, la esposa de Orfeo, Eurídice, muere a causa de la mordedura de una serpiente, y la historia de Hércules repite una serie de envenamientos, e incluso su misma muerte fue por intoxicación al ponerse la túnica mojada en la sangre del centauro Neso. La historia mitológica de Medea es la de una envenadora de oficio, como lo sería, históricamente, Locusta. 01 toxicologia alim 24/11/08 10:15 Página 3 DESARROLLO Y EVOLUCIÓN HISTÓRICA DE LA TOXICOLOGÍA Encontramos en la mitología un suicidio por intoxicación, el de Estenobea, y los asesinatos de Glauce, Teseo, Ciro, etc. Por su parte, la Biblia recoge homicidios y suicidios, e incluso leemos la recomendación de Moisés de limpiar bien de cardenillo los utensilios de cobre. En el Éxodo (7:20-21), al describir las plagas de Egipto, se recoge que las aguas del Nilo se volvieron rojas y no se podían beber, lo que ha sido interpretado como la primera referencia a una marea roja por microalgas; idéntica interpretación puede hacerse de la cita del explorador e historiador Álvar Núñez Cabeza de Vaca, al anotar (1536) que en el México precolombino se relacionaba el comienzo del año con la llegada de las mareas rojas, lo que supondría un carácter cíclico de éstas, aún no demostrado. No puede olvidarse el establecimiento en Grecia del «Veneno del Estado», principalmente la cicuta, como medio de ejecución, y Platón registró el cuadro clínico de la ejecución de Sócrates (399 a. C.) con notable exactitud, y que a Alejandro Magno su propio médico lo intentó envenenar (331 a C.). Hipócrates (460-377 a. C.), llamado el padre de la Medicina, incluye en su famoso Juramento que «... jamás me dejaré inducir a administrar a nadie un veneno o un medicamento que conduzca a la muerte o al aborto...» Teofrasto (371-287 a. C.), el más célebre discípulo de Aristóteles y el botánico mejor conocido de la Antigüedad, describió las plantas de su tiempo señalando algunas venenosas. Dos poemas debidos a Nicander y Colofón (185-135 a. C.), aunque en gran parte fantásticos, están basados en observaciones y experiencias de tipo toxicológico; así Alexefármica refiere las propiedades tóxicas de varias sustancias, en tanto que en Theriaca, término que vino a significar antídoto, se alude a tratamientos de intoxicados. Muy familiar es la leyenda de Mitrídates VI, rey del Ponto, (120-63 a. C.), quien por miedo a ser envenenado a consecuencia de sus conflictos con Roma, tomaba regularmente pequeñas pero crecientes cantidades y mezclas de venenos para hacerse resistente a los mismos pero, tras ser derrotado por Pompeyo, al querer suicidarse, no lo consiguió por encontrarse inmunizado, y hubo de pedir a un soldado que lo matara con su espa- 3 da. En su honor se denominaron mitridáticos o mitridatos a mezclas preventivas compuestas por gran número de ingredientes y confeccionadas con ritos místicos y encantamientos, y que se usaron como remedios preventivos contra la peste, las fiebres malignas y las mordeduras de los animales venenosos y envenenamientos. Una de las más populares prescripciones de este tipo, la llamada «Eltheriac» de Andrómaco, se componía de 60 ingredientes. Por su parte, Dioscórides (40. d. C.), médico de Nerón, hizo un interesante aporte toxicológico en su De Universa Medica al discutir sobre venenos y antídotos, agrupándolos según su origen vegetal, animal o mineral. Los romanos también hicieron de los venenos un uso político, y la corte del emperador solía tener un envenenador oficial. Éste es el caso de Locusta, una esclava que fue condenada por asesinato, pero una vez indultada se convirtió en experta envenenadora al servicio propio y del Estado. Fue encargada por Agripina para envenenar al emperador Claudio, su marido, al parecer con Amanita phalloides, y ayudó a Nerón a eliminar a su hermanastro Británico. El uso doméstico común de los venenos por las mujeres romanas dio lugar a la Ley Cornelia (81 a. C.), por la cual si el convicto de envenenamiento era patricio se le confiscaban sus propiedades y se le desterraba, mientras que si se trataba de un plebeyo se le condenaba a muerte. A pesar de esto se llegó a refinamientos insospechados, especialmente en la forma de administrar el tóxico; en las excavaciones de Pompeya se han encontrado sortijas con cavidades para contener el veneno y con punzones disimulados para su inoculación. Los compuestos de arsénico eran los más utilizados, aunque también se empleaba el acónito, el beleño y el cólquico. También usaron el polvo de cantáridas como afrodisíaco. EDAD MEDIA (SIGLOS V-XV) Para los árabes, herederos de la medicina griega, la cual desarrollaron con su química práctica mediante la preparación y extracción de medicamentos, tras inventar tres de las operaciones básicas de la química: destilación, sublimación y cristalización, no fueron desconocidos los venenos. 01 toxicologia alim 4 24/11/08 10:15 Página 4 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Así, el más prominente de los médicos árabes, Avicena (980-1037), nacido en Persia y conocido como el Príncipe de los Médicos, dedica el libro V de su Canon de Medicina a tratar las drogas y sus prescripciones; al final de su vida se permitió una existencia desordenada y murió intoxicado por un midriático preparado con opio. El sabio sufí, nacido en Murcia y viajero continuo de España a Persia, Jabir ibn Hayyan, Gabir o Geber para los occidentales, en su Libro de los venenos de los tres reinos, mineral, vegetal y animal, establece cinco clases de espíritus: azufre, arsénico, mercurio, amoniaco y alcanfor, y reflexiona sobre la dosis tóxica. Por su parte, el filósofo y médico judío español Moisés ben Maimón o Maimónides (Córdoba, 1135-1204) escribe en árabe ampliamente sobre medicina y farmacia; en su libro Los venenos y sus antídotos (1198), da consejos para evitar las intoxicaciones y prescribe su tratamiento. Pocos años después (1240) Federico II, emperador de Alemania y rey de Sicilia, promulgó un edicto por el que separaba la Medicina y la Farmacia, y se reglamentaba el ejercicio de ésta. En la Edad Media se prodigaron extensamente los envenenamientos criminales y comenzó a hacerse sentir la necesidad de establecer una toxicología médico-legal. Las pruebas para descubrir envenenamientos se basaban en la observación de alguna coloración desusada del cadáver, anormal putrefacción, incombustibilidad del corazón, etc., síntomas muchas veces confundibles con los de enfermedades infecciosas. A pesar de ello, eran populares ingeniosos venenos, y la obra sobre venenos de Pietro de Albano, profesor de Ciencias en la Universidad de Padua, alcanzó amplia difusión, para tratarse del siglo XV, con catorce ediciones. Existe abundante literatura sobre la difusión de los envenenamientos criminales en la Italia del siglo XV, y en algunas obras se destaca a la familia Borgia entre los mejores especialistas. De la familia española Borja, Alfonso (13781458) era profesor de Derecho cuando fue nombrado obispo de Valencia y más tarde cardenal en Roma (donde italianizó su apellido a Borgia) y finalmente, papa con el nombre de Calixto III. Se llevó a Roma a su sobrino Rodrigo, diplomático y también cardenal y papa con el nombre de Alejandro VI; muy mujeriego tuvo numerosos hijos, en- Figura 1.2. Hermanos Rodrigo y Lucrecia Borgia. tre ellos, César, cardenal (aunque renunció) y militar y cortesano de éxito (apodado Valentino), y Lucrecia, con historia o leyenda de amoríos, incluso incestuosos con su padre y hermanos, intrigas y uso de venenos, generalmente constituidos por compuestos arsenicales y restos de animales (ptomaínas). Se llegó a decir que el papa Borgia, Alejandro VI, envenenó a varios de sus cardenales y él mismo fue víctima de envenenamiento, aunque en recientes trabajos aparece como inocente, y su propia muerte atribuida a una enfermedad febril, probablemente paludismo. Es lógico pensar que los Borgia quizá no hicieron mayor uso de los venenos que algunos gobernadores de la escuela de Maquiavelo, ya que durante esta época el veneno fue un arma común en la vida social y política de las cortes europeas, particularmente de Francia e Italia; en los primeros dos tercios del siglo XV, murieron envenenados nueve sucesores de Carlomagno y cinco papas. Alrededor de 1420, el Consejo de los Diez, de Venecia, tenía una escala o baremo de precios para el envenenamiento de las gentes; el valor dependía del rango de las víctimas y de la dificultad de aproximación al sujeto. En las actas de sus reuniones se reflejan las deliberaciones y las remuneraciones correspondientes a la eliminación de ciertas personas; el éxito de la operación se marcaba en el margen del archivo con la palabra factum, y los venenos más comúnmente empleados eran arsenicales, sublimado corrosivo y acónito. Durante este periodo, la semiología toxicológica avanzó poco, y la detección de los envenenamientos era dificil porque se confundían los síntomas con los de muchas enfermedades. Los 01 toxicologia alim 24/11/08 10:15 Página 5 DESARROLLO Y EVOLUCIÓN HISTÓRICA DE LA TOXICOLOGÍA alimentos defectuosamente preservados se sazonaban fuertemente y ello enmascaraba más fácilmente el sabor del veneno. La única operación de toxicología analítica consistía en dar de comer a un animal los restos del alimento sospechoso. Por ello, la única forma de descubrir al envenenador era atraparlo en el momento de contaminar el alimento; de aquí que durante los siglos XVI y XVII los envenenamientos llegaran a constituir una seria amenaza pública en Italia, Francia, Holanda e Inglaterra; puede encontrarse una detallada relación de estos hechos en Poisons and Poisoners, de C. J. S. Thompson (193l). Como la ya citada familia Borgia, la de los Médici también alcanzó notoriedad en el uso de los venenos; se cuenta que Alejandro, Duque de Florencia envenenó a su propia madre, y Catalina (1519-1589), sobrina del papa Clemente VII, tras casarse con el que después fue rey de Francia como Enrique II, introdujo en este país los métodos italianos, y experimentaba con los pobres la efectividad y dosificación de los venenos; también llevó a Francia, además de los perfumes florentinos, la costumbre de introducir en la comida un trozo de cuerno de unicornio (rinoceronte) para, según se decía, destruir cualquier tóxico. Iguales propiedades se atribuían a las piedras de bezoar, concreciones de origen biliar que se extraían del intestino de animales, generalmente cabras, hasta que el rey Carlos IX, hijo de Catalina, instigado por su médico, el prestigioso Ambrosio Paré, ordenó que se hiciera una experiencia con un preso, al que un boticario administró bicloruro de mercurio y seguidamente bezoar, que no contrarrestó la intoxicación, demostrándose la inefectividad del «antídoto». En Praga se realizó una experiencia similar con un condenado (1565) que, por supuesto, también murió. La actividad más próspera de la época se desarrolló en el sur de Italia, incluida Sicilia. El más famoso de estos delincuentes fue una mujer, llamada Toffana, residente en Napóles, a quien se hizo responsable de la muerte de varios cientos de personas (unas 600) entre las que se citan los papas Pío III y Clemente XIV. Su principal preparación era el acqua toffana que por la sintomatología que ha llegado hasta nosotros parece que estaba constituida por arsénico y cantáridas; se embotellaba en frascos que mostraban la imagen 5 de algún santo, normalmente san Nicolás de Bari, nombre asociado al de un manantial cuyas aguas parecían tener notables propiedades curativas. Fué ajusticiada en 1719. Por el mismo tiempo aparece otro famoso veneno, conocido como acquetta de Peruzzia, el cual se preparaba espolvoreando con arsénico vísceras de cerdo; los líquidos de la putrefacción disolvían el arsénico, a cuya toxicidad se unían las ptomaínas (gr. ptoma, cadáver) producidas. Una seguidora de Toffana fue Jerónima Spara, que operó en Roma hacia 1659 y encabezaba una sociedad secreta integrada principalmente por jóvenes casadas pertenecientes a algunas de las más opulentas familias. En reuniones regulares celebradas en casa de Spara se obtenían venenos e instrucciones para su uso. La extraña relación de jóvenes viudas con Spara promovió una investigación que concluyó con el ahorcamiento de Spara y doce mujeres más y el azote público de muchas otras. Otro envenenamiento legendario es el de Ladislao, rey de Nápoles, de quien se dice que murió a consecuencia de una intoxicación arsenical, producida durante el coito por un algodón impregnado en el veneno y que su amante se había colocado en la vagina, quien previamente se había inmunizado mediante dosis progresivas del tóxico. Según otra leyenda la muerte de Ladislao (1414) se produjo a causa del veneno que su hija llevaba en los labios. EDAD MODERNA (SIGLOS XV-XVIII) Primeros estudios toxicológicos En el apartado anterior hemos citado las primeras obras en que se aludía a las sustancias tóxicas, pero es a partir del siglo XV cuando encontramos ya una intención de aproximación científica. Relacionaremos a continuación las principales publicaciones. En 1472 apareció un libro de Fernando Panzzeti. El célebre alquimista Arnaldo de Villanueva escribió el Tractatus de arte cognoscendi venena cum quis timet sibi ea administrar e. Santos de Ardonis, en 1592, en Venecia, el Opus de Venenis. Jerónimo Mercurial, profesor de Bolonia, escribió el De venenis et malis venenosis. 01 toxicologia alim 6 24/11/08 10:15 Página 6 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Figura 1.3. Paracelso (Theophrastus Phillipus Aureolus Bombastus von Hohenheim) (1491-1541) y su Tercera Defensa. Portada de la Trilogía Carintia, que incluye la Tercera Defensa de Paracelso (Colonia, 1564). Biblioteca Walleriana, Upsala, Suecia. De considerable interés histórico son los trabajos de Paracelso sobre el éter y la yatroquímica, con sus estudios sobre las dosis; se anticipó a señalar la posibilidad de que ciertos venenos administrados a dosis adecuadas podían actuar como medicamentos. Su verdadero nombre era Teofrasto von Hohenheim (1491-1541) y, al parecer, aceptó sin entusiasmo el nombre de Paracelso en honor del médico romano Celso, o según también se dice fue así llamado para indicar que estaba «próximo al cielo»; recorrió toda Europa antes de establecerse en Basilea. Paracelso fue el primero que utilizó el concepto de dosis con un sentido cuantitativo; empleó como medicamentos cantidades apropiadas de extractos de heléboro, alcanfor, convalaria, menta, etc., y sustancias ya entonces reconocidas como tóxicas, tales como derivados de arsénico, mercurio, plomo y antimonio (tártato emético, uno de sus favoritos), para el tratamiento de diversas enfermedades, como la sífilis, por lo que fue acusado. En 1564 publicó una Trilogía dedicada a las autoridades de Carintia (Austria); la primera parte de la obra consiste en las Siete Defensas, de las que la más conocida es la Tercera Defensa, en que hace una apología del uso de venenos con sus prescripciones y establece uno de los más importantes pensamientos toxicológicos de todos los tiempos, lamentablemente olvidado con harta frecuencia. Aunque escrito en alemán, se hizo famosa la traducción latina anotada al margen: — ¿Hay algo que no sea veneno? — Todas las cosas son veneno y no hay nada que no lo sea. — Solamente la dosis determina que una cosa sea o no veneno: dosis sola facit venenum. Merece la pena añadir aquí el pensamiento de un toxicólogo oriental del siglo pasado (Jeyaratham, Sri Lanka, 1980): No hay sustancias inocuas, sólo hay formas inofensivas de manejarlas. 01 toxicologia alim 24/11/08 10:15 Página 7 DESARROLLO Y EVOLUCIÓN HISTÓRICA DE LA TOXICOLOGÍA aunque, como también había escrito el inglés Peter M. Latham (1789-1875): medicamentos y venenos son a veces las mismas sustancias administradas con diferente intención. En 1527, la obra de Matthioli de Siena alude a los polvos del archiduque de Austria como contraveneno del arsénico, cuya virtud, según Rogneta, residía en el vino con el cual se administraba. Un autor notable del siglo XVII es Fabricio de Hilden, con su obra Opera Omnia, que habla de los vapores malignos que el arsénico envía a las vísceras nobles y que por las venas llegan al hígado, por las arterias al corazón, y por los nervios al cerebro. Zachias, en su Medicina legal, discute el valor de la cantidad de tóxico que se encuentra en los cadáveres, habla de las vías de penetración y de la absorción por las mucosas, afirmando como principio general que si el veneno no es absorbido no produce ningún efecto aunque se introduzca en el cuerpo. Un autor del siglo XVI, Chioco, se preocupó por la posibilidad de que se produzcan venenos con los humores del cuerpo humano, y Reies (siglo XVII) se interesaba acerca de si era posible alimentarse con veneno y si se podrían comer animales envenenados. Courten realizó experimentos toxicológicos en animales, en tanto que Antonio de Trilla publicó en Toledo su Tratado general de todas las tr es especies de venenos, como son, de minerales, plantas y animales. En el siglo XVIII encontramos un creciente número de autores que se van preocupando cada vez más por la toxicología. Mead, Sindor y Neuman aplican a la doctrina de los venenos la yatromatemática y la quimiatría. Gestoldy se pregunta si hay diferencias esenciales entre los distintos venenos y un remedio apropiado para todos ellos. En tanto que Hoffman intenta combatir errores existentes. Se publica entonces un libro debido a Stenezel, que parece ser el primero de los que se han de titular Toxicología patológica médica. Nebel relaciona signos de la intoxicación; Sprohuel experimenta con animales; Gmeli se refiere a venenos que pueden ser medicamentos; y a la inversa, Isenflam estudia medicamentos que pueden ser venenos. Aún más fecundo en autores se presenta el siglo XIX del que el propio Orfila en Noticia bibliográfica relaciona 72. 7 Aparece el Manual de toxicología, de Franck; el Ensayo de toxicología de Duval, donde se recomienda el azúcar como remedio para las intoxicaciones minerales; la primera edición de la Toxicología general de Orfila, donde la relaciona con la fisiología, patología y medicina legal, al igual que Armand de Montgarny, que también la relaciona con la jurisprudencia médica, y Bertrand publica su Manual médico legal de los venenos. Eusebio de Salle presenta un cuadro sinóptico de los venenos, basado en los adelantos de la historia natural, la terapéutica y la medicina legal, relacionando los accidentes que producen con los remedios más indicados y los reactivos para reconocerlos. Lamaistre establece unas reglas para describir los venenos. Guerin de Hammers estudia la toxicología desde un punto de vista conjunto, químico, fisiológico, patológico y terapéutico. Además de estos y otros autores que tratan de ir compilando los esparcidos conocimientos, hay otros muchos que se van especializando en determinadas sustancias: estricnina, cólquico, belladona, veneno de serpientes y de animales ponzoñosos. Juan Fragoso, de Toledo, médico de Felipe II, escribió Eritemas quirúr gicos de los medicamentos compuestos. Encontramos ya preocupación por la toxicología ambiental y la medicina del trabajo en la obra del italiano Ramazzini (1700) De morbis artificum diatriba. Bernardino Ramazzini nació en Capri, en 1633, y fue profesor de medicina en las universidades de Módena y Padua, de la que llegó a ser rector; murió en Venecia, en 1714; en esa obra, conocida también como Enfermedades de los trabajadores dedica sendos capítulos a las diferentes profesiones (mineros, químicos, farmacéuticos, yeseros, estañadores, pintores, herreros, poceros, cloaqueros, sepultureros, tabaqueros, tipógrafos, obstetras, nodrizas, lavanderas, panaderos, cardadores de lino, cañamo y seda, agricultores, atletas, bañistas, etc.) con agudas observaciones acerca de los olores y condiciones de salubridad de los lugares de trabajo y su posible participación en las enfermedades más comunes de cada profesión, apoyándose en frecuentes citas de Hipócrates, Galeno, Avicena, Mercurial, Juvenal, Marcial, Zacehia y otros autores clásicos. Sobre la contaminación del ambiente urbano escribió el sevillano Ximénez de Lorite De los daños que 01 toxicologia alim 8 24/11/08 10:15 Página 8 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Tratado de las enfermedades de los artesanos. Segunda edición, 1713. Figura 1.4. Bernadino Ramazzini en 1710. Ramazzini y su obra principal. puede ocasionar a la salud pública la tolerancia de algunas manufacturas dentr o de los pueblos (24 de marzo de 1790, Memorias, tomo IX). Más próximo a la época actual podemos citar a Galtier, con la Toxicología general y su Tratado de toxicología médica, química y legal; Anglada, con su Toxicología general; Pedro Mata, catedrático de la Universidad Central de Madrid, con su Compendio de Toxicología (1875). Ambrosio Tardieu, con su obra Estudio médico-legal sobr e el envenenamiento, se adelantó a su época, y aun a la nuestra, en algunos aspectos de su filosofia sobre el tema. Rabuteau (1874), con Elementos de T oxicología y medicina legal, y Briaud y Chaudi publicaron una obra titulada Química legal, donde, además del análisis químico de los venenos, relacionan los procedimientos analíticos para manchas de sangre, esperma, materia cerebral, etc., en la línea del pensamiento de Tardieu, que propugnaba la actuación de unos peritos especializados en estas materias y diferentes del médico forense. Esta misma orientación la da Dragendorff, catedrático en Dorpat, en sus Manuales de Toxicología (1886-1888). Nacimiento de la toxicología judicial o forense La frecuencia de envenenamientos en Francia determinó que las autoridades comenzaran a designar a peritos médicos y químicos, y se dictó una ley que obligaba a recurrir a tales asesoramientos, y aunque en muchos casos las intervenciones dieran muy poco resultado por ser la Química muy rudimentaria, estimularon a los peritos a estudiar el desarrollo de técnicas de análisis, con lo que se inició la verdadera Toxicología analítica. Fue famoso el proceso de madame Brinvilliers, hija del conde Dreux d'Aubray, mujer hermosa e inteligente (1630-1676), de conducta escandalosa, quien con su amante produjo una serie de envenenamientos, incluido el de su esposo. Aunque los peritos no tuvieron éxito en la investigación, posteriormente el amante murió en su laboratorio, mientras preparaba un gas tóxico, posiblemente arsenamina o arsina, al rompérsele la máscara con la que se protegía. Otra envenenadora famosa fue Catalina Deshayes, conocida como «la Voisin» (1680), que regentó un lucrativo negocio para la venta de venenos a mujeres deseosas de enviudar y estuvo 01 toxicologia alim 24/11/08 10:15 Página 9 DESARROLLO Y EVOLUCIÓN HISTÓRICA DE LA TOXICOLOGÍA implicada en un atentado frustrado contra la vida de Luis XIV, al proporcionar lo que después se llamaron «polvos de sucesión», compuestos, según Plenck, de arsénico y azúcar de saturno (acetato de plomo). Usó también acónito, belladona y opio, y se dice que mató a unos 2.000 niños en un trágico sistema de planificación familiar. Era tal el temor a los envenenamientos que, según Cesalpino, además de la antigua costumbre de hacer probar la comida a los servidores, se utilizaban vajillas de «electro», muy bruñidas, para detectar, por medio de su empañamiento, la presencia de algún tóxico. EDAD CONTEMPORÁNEA (SIGLOS XIX-XXI) Una serie de procesos judiciales que se hicieron famosos, como los de madame Lafargue, madame Lacoste, Couty de La Pommerais, en Francia; el de Helena Jegado en Holanda, el de Lidia Fougines en Bélgica, significaron importantes jalones en el desarrollo de la ciencia toxicológica, al obligar a los peritos de los tribunales no sólo a intensificar sus estudios, sino incluso a enfrentarse entre ellos, como el proceso Boursier, que, en 1823, enfrentó a Orfila, Gaedy y Barruel. En 1830, el químico inglés James M. Marsh (1789-1846) desarrolla un método para evidenciar la presencia de arsénico en vísceras y alimentos que contribuyó en parte a disminuir los envenenamientos mediante este elemento químico. Este método, descubierto en 1775 por el químico alemán Carlos Guillermo Scheele (1742-1786), basado en la liberación del arsénico en forma de arsina, mediante reducción con hidrógeno naciente, y sublimación del elemento al incidir una llama de los gases desprendidos sobre una placa fría, fue utilizado judicialmente por primera vez en el proceso Lafarge (1842), donde intervinieron las insignes figuras toxicológicas de la época, Orfila (por parte de la acusación y de la Justicia) y Raspail (por parte de la defensa). Detalles de aquella discusión pueden encontrarse en la obra de Balthazard Orfila et l'affaire Laffarge. Pedro Mata, en su Compendio de toxicología general y particular (Madrid, 1875), aunque lo dedica «A la memoria del grande Orfila, eterno recuerdo», repetidas veces critica a éste, en favor 9 de Anglada, llegando a decir que la obra de Orfila, más que un estudio de toxicología es un «tratado de los venenos». Sin embargo, es internacionalmente reconocido que uno de los fundadores de la moderna ciencia toxicológica fue Mateo José Buenaventura Orfila (1787-1853) (véase Textbook of toxicology, Kenneth y Gelling, Oxford University Press, 1959, New York, y numerosas publicaciones posteriores e incluso actuales). Nacido en Mahón, en la isla de Menorca, recibió su primera educación en Valencia y Barcelona; después se trasladó a París, donde se graduó en Medicina en 1811, estudiando también Química. Ocupó la Cátedra de Química reemplazando a Vauquelín discípulo a su vez, de Lavoisier, y es interesante consignar que recibió una carta del primer ministro de Fernando VII en la que le hacía saber que el rey le nombraba profesor de Química en Madrid, en sustitución de M. Louis Prust; pero al condicionar Orfila su aceptación a un plan de estudios químicos, quedó frustrado su regreso a España. En 1813 publicó Elementos de Química y Tratado de las exhumaciones Jurídicas, y en 1814, su Tratado de Toxicología en dos volúmenes, obra clásica y fundamental que aún hoy es reconocida como la primera obra completa de importancia internacional (Backer, 1993). Desarrolló multitud de pruebas para identificar los tóxicos, que agrupa en seis clases. En su obra describe además las propiedades físicas, químicas, fisiológicas y tóxicas de las sustancias, deteniéndose en los métodos de tratamiento. Experimentó con animales a los que administraba cantidades conocidas de sustancias, observando la sintomatología de la intoxicación, y después de muertos examinaba los órganos y analizaba los tejidos. Entre sus más importantes contribuciones destaca el descubrimiento de que los tóxicos se acumulan en diferentes tejidos. Fue profesor de Medicina Legal de la Universidad de París, y, en 1821, publicó su libro de texto titulado Lecciones de Medicina Legal, que, en número de 60, recogía sus explicaciones universitarias. En 1831 llegó a ser decano de la Facultad de París y presidente de la Academia de Medicina, lo cual no deja de ser un testimonio de la valía de nuestro compatriota, que, por muy «afrancesado» que fuera, no dejaba de ser un extranjero en Francia. Viajó en 1816 y en 1846 a Mahón y Barcelona, Madrid y Sevilla, donde le recibieron sus Academias de Medicina. 01 toxicologia alim 10 24/11/08 10:15 Página 10 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Se retiró en 1848, aunque siguió escribiendo y sus libros sobre tóxicos y Medicina Legal estuvieron ampliamente difundidos y sirvieron de base para el desarrollo de estas ciencias en otros países. Así, sir Robert Christison (1797-1882), después de graduarse en Medicina por la Universidad de Edimburgo, fue a París a estudiar toxicología con Orfila, para ser nombrado a su regreso Catedrático de Medicina Forense y Materia Médica de la Universidad de Edimburgo. Escribió A treatise on poisons, un excelente libro que fue ampliamente usado y reimpreso, siendo su cuarta edición, en 1845, la primera americana. Christison llegó a ser uno de los principales médicos consultantes de Escocia e hizo importantes contribuciones a la farmacología, preocupándose especialmente en proporcionar bases científicas a la toxicología. Las ediciones americanas de los textos de Orfila y Christinson estimularon a los autores norteamericanos, entre los que destaca Henry Coley, con su trabajo Poisons and asphyxia (1832). En esta época dejan de emplearse en parte los venenos tradicionales, dando quizá la razón a Tardieu, quien propugnaba que debía evitarse la difusión de los conocimientos toxicológicos. Envenenadores más refinados recurren a extractos vegetales con alcaloides, cuya química poco conocida dificultaba el descubrimiento del delito. En este orden se citan los casos del doctor Castaing, que utilizó acetato de morfina, y la relativa profusión que alcanzó en Inglaterra el empleo de la estricnina. El esfuerzo de los peritos iba dando frutos; tras la prueba de Marsh para el arsénico, Reinsh desarrolla en 1841 sus ensayos para el arsénico y el mercurio; y en 1840, Fresenlus y Von Babo proponen una sistemática para la detección de los diferentes venenos inorgánicos. Un escalón importante se alcanza en Bélgica cuando, en 1850, se procesa al conde Hipólito de Bocarmé, acusado de haber asesinado a su cuñado. Designado perito el químico Jean Servais Stas (1813-1891) desarrolla un procedimiento de extracción de alcaloides de las vísceras y consigue separar de éstas el veneno utilizado: la nicotina. La trascendencia de este descubrimiento es tal, que el procedimiento de Stas, ligeramente modificado por Otto y posteriormente por Ogier, sigue aún utilizándose por los toxicólogos actuales, habiendo resistido cuantos intentos se hacen con- tinuamente para sustituirlo por otras técnicas de extracción y fraccionamiento, pues tan sólo se ha conseguido completar ligeramente la sistemática y adicionarle técnicas modernas de purificación de los extractos, aunque éstos sean luego estudiados por la técnica instrumental moderna, por lo menos, hasta la introducción de los métodos de extracción «en fase sólida». Otro proceso judicial, el seguido en Francia contra el médico homeópata Couty de La Pommerais, acusado de haber asesinado a una viuda para apoderarse de un seguro, dio ocasión a Tardieu y Roussin para iniciar las aplicaciones de la experimentación fisiológica en la identificación de los venenos, demostrando los efectos de la digitalina en ranas. No es preciso aclarar que ningún perito actual se basaría tan sólo en estos datos para establecer una afirmación acusatoria, ya que desde Ogier conocemos la producción de glucósidos en la putrefacción, y desde Selmi, las ptomaínas. En Italia, en 1870, la muerte del general Gibbone es atribuida a un sirviente que es condenado a muerte porque los peritos detectaron en las vísceras una sustancia alcaloide con reacciones semejantes a la delfinina. Pero el químico Selmi, de Bolonia, descubre que los alcaloides se formaron durante la putrefacción y los denominó ptomaínas (del gr. ptoma, cadáver). Selmi comunicó su descubrimiento a la Academia de Ciencias de Bolonia, y continuó durante diez años experimentando con vísceras de animales, tratando de diferenciar las ptomaínas de los alcaloides vegetales. Posteriormente, Gauthier, en Francia, establece por distintas vías la formación de las ptomaínas en la putrefacción de los albuminoides (Capítulo 4, Tabla 4.4). Estos descubrimientos resultaron trascendentales para la toxicología, especialmente en su rama judicial, al exigir una mayor profundidad química al análisis tóxicológico, para obtener la necesaria garantía, que en realidad no se ha logrado hasta el advenimiento de la instrumentación quimicofísica, del tipo de la cromatografía de gases o de líquidos, la espectrofotometría en los rangos ultravioleta o infarrojo, o de absorción atómica, la espectrometría de masa, la activación neutrónica, etc. La Toxicología como auxiliar de la Justicia ha funcionado en las distintas épocas y países de muy distinta manera. En un principio eran los médicos forenses los obligados no sólo al examen 01 toxicologia alim 24/11/08 10:15 Página 11 DESARROLLO Y EVOLUCIÓN HISTÓRICA DE LA TOXICOLOGÍA macroscópico del cadáver, sino también al análisis químico de las muestras biológicas, procedimiento que aunque apoyado por ilustres autores no deja de ser absurdo (como decía Tardieu), al exigir a unos profesionales la especialización en materias tan diversas como puedan ser la patología forense, el análisis químico, o la criminalística con sus facetas de estudio de manchas, de restos de pinturas, de huellas de personas, animales o vehículos, de trozos de vidrio, de documentos, etc., todo lo cual ha desembocado modernamente en las diferentes especialidades de Ciencias Forenses y de Policía Científica. En algunos países hay centros de toxicología judicial, pero lo más frecuente es que los análisis toxicológicos de interés legal se realicen en los laboratorios de la Cátedra o Instituto de Medicina Legal. Existe también la modalidad seguida en Francia y Bélgica, por ejemplo, donde hay unos peritos individualmente reconocidos que pueden realizar las investigaciones en laboratorios privados, cobrando sus honorarios a la acusación o a la defensa, según a quien interese el estudio. En España, el gobierno nombró en 1855 una comisión para elaborar un proyecto de cuerpo de médicos forenses, en tanto que para las peritaciones de laboratorio, especialmente las que requerían análisis químicos, disciplina muy poco desarrollada aún, se designaba en 1858 al Catedrático de Medicina Legal y Toxicología de Madrid, junto con el Catedrático de Química y Física Médicas o el de Historia de la Medicina. Posteriormente, en 1862, se autoriza a los jueces de primera instancia a encargar los análisis a los farmacéuticos, y en su caso, consultar a las cátedras de Medicina Legal o de quinto curso de Farmacia, de cualquiera de las universidades españolas. Pero los catedráticos y los farmacéuticos llegaron a negarse a realizar los análisis sin remuneración, entrando la administración de justicia en una situación caótica, que trató de resolverse mediante el Real Decreto de 11 de julio de 1886, por el que se crearon los Laboratorios de Medicina Legal dependientes del Ministerio de Justicia, que en 28 de abril de 1911 se denominaron Instituto de Análisis Químico-Toxicológico, transformado el 10 de julio de 1935 en Instituto Nacional de Toxicología, con tres departamentos de carácter regional, enclavados en Madrid, Barcelona y Sevilla. Posteriormente, un Decreto de 11 13 de julio de 1967 reorganizó este Instituto calificándolo como centro nacional técnico en materia toxicológica, mejorando su constitución e instalaciones y abriendo la posibilidad de colaboración con los demás estamentos de la Administración. Es decir, que además de su función de auxiliar de la Justicia, se atribuye al Instituto Nacional de Toxicología una intervención más activa como órgano de información de la Administración en general y se le autoriza para difundir los conocimientos en materia toxicológica, considerándosele, además, Centro de Asesoramiento e Información, y se le faculta para evacuar los informes y consultas que se le formulen en relación con la prevención y lucha contra las intoxicaciones, y la información toxicológica en general. En este orden, el 1 de febrero de 1971 comenzó a funcionar en el Departamento de Madrid el primer Servicio de Información Toxicológica por teléfono que existió en España; en 1990 se formalizaron los servicios de Barcelona y Sevilla que, con posterioridad, fueron lamentablemente suprimidos. En la actualidad está variando el esquema de los servicios de la toxicología forense en España, con la creación de Institutos Provinciales de Medicina Legal dotados de laboratorios y, al parecer, reservando para el Instituto Nacional de Toxicología y Ciencias Forenses un papel de centros de referencia. El gran reto de los nuevos institutos es la homogenización de criterios y el acatamiento de los códigos de Garantía de Calidad. Tabla 1.1. División actual de la Toxicología Forense. Toxicología Postmorte Clásica Drogas de abuso Determinación en : Sustancias sospechosas Muestras biológicas Toxicología conductual Puestos de trabajo: ejecutivos, operarios, controladores, etc. Tránsito motorizado: conductores/peatones, pilotos Fuerzas armadas Toxicología ambiental Contaminación Delito ecológico Toxicología laboral Modificado de Kunsman, 1999. 01 toxicologia alim 12 24/11/08 10:15 Página 12 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Progresos en los conocimientos toxicológicos Independientemente de la toxicología judicial, aunque quizá forzada por ella, tenía que desarrollarse una toxicología básica o farmacológica. Tardieu llegó a negar la existencia de la toxicología como ciencia, alegando que los venenos no forman un orden natural. Claude Bernard decía que toda sustancia introducida en el organismo y extraña a la constitución química de la sangre es un medicamento o un veneno. Sin embargo, ha quedado bien comprobada la teoría de Paracelso respecto a que la toxicidad es, en el fondo, una cuestión de dosis. Se requería, por tanto, que los farmacólogos y fisiólogos aportasen su estudio a la parcela toxicológica. Había que saber primero cómo penetran los tóxicos en el ser vivo, y a través de qué vías, conocer los procesos de difusión en el medio interno (Velázquez, 1962); completar la observación de Orfila de que los tóxicos pasan del aparato digestivo a diferentes órganos con una cierta selectividad, adelantándose a la Toxicocinética y a la teoría de la difusión merced a las proteínas transportadoras, estudiado a distintos niveles por numerosos autores, desde Anton Nicolai (1798), que muestra cómo el almizcle se absorbe por la lengua; Chrestien (1810), quien recomendaba la aplicación de sales de oro sobre la lengua y encías para el tratamiento de la sífilis; Karmel, que, en 1873, observó cómo el alcohol es absorbido por vía sublingual; o el escocés Wood (1844), con la comprobación de la administración de sustancias mediante inyecciones, hasta los italianos Coprano y Meli, con el estudio ecuacional de la absorción de diferentes sustancias, y los más recientes, pero ya clásicos, de Ariens y Goodman y Gilmann (1972), con sus esquemas de transporte, activación y desactivación de las drogas. Interesaba, además, conocer la relación de dosis a efecto, para lo cual aparecieron los conceptos de dosis tóxicas, dosis letal, dosis letal media (Trevan), dosis letal mínima (Lucchelli), y los importantes trabajos de Schackell, de Carpenter, Powers, y tantos otros que tratan de llevar a fórmulas matemáticas y gráficas los conocimientos farmacológicos aplicándolos a la toxicología. De especial trascendencia es el desarrollo del concepto de toxicidad selectiva, partiendo del de quimioterapia de Ehrlich, y ampliamente estudiado por Albert desde 1951, considerando factores de bioquímica comparativa y biología molecular, en relación con los aspectos farmacodinámico, permeabilidad celular, constitución estérica de las moléculas, fenómenos de ionización y quelación, etc., que abrieron el camino para tratar de explicar por medio de la teoría de orbitales moleculares los fenómenos e interreacciones de las drogas con los receptores biológicos (Kier, 197l). Y todo este esfuerzo para profundizar en el conocimiento toxicológico se dirige fundamentalmente a la prevención y el tratamiento de las intoxicaciones, dando origen a una moderna rama de la toxicología cual es la «Toxicología Clínica», que, como afirman Boyland y Goulding en su Modern trends in toxicology (1968), adquiere una orientación diferente de la medicina forense, como lo demuestra la considerable atención que investigadores, gobiernos, industrias e incluso el público, dirigen hacia los problemas que presenta el tratamiento de las intoxicaciones, efectos secundarios de los medicamentos, etc. Comités internacionales de expertos se ocupan de la evaluación de la toxicidad de las drogas, las acciones teratogénicas, la relación con los trastornos metabólicos, las interreacciones entre medicamentos, etc. (Davey, Paget, Schorz, etc., 1963). Fuhner, en 1956, alaba la obra de Zangger Intoxicaciones (1924), que trata especialmente de los errores más frecuentes en su tiempo acerca del diagnóstico y la terapéutica de las intoxicaciones. Ya decía Zangger que «los médicos tan sólo diagnostican la cuarta parte de las intoxicaciones», hecho lamentable que únicamente puede remediarse enseñando mejor la toxicología. En este mismo sentido se expresa Fournier cuando, en 1968, se muestra insatisfecho, aunque el Ministerio de Educación Nacional francés haya reconocido la necesidad de una enseñanza de Toxicología en Medicina (véase más adelante). TOXICOLOGÍA CLÍNICA. CENTROS ANTITÓXICOS Actualmente se calcula que un 1 por 100 de los ingresos generales en hospitales se debe a intoxicaciones, y el 8 por 100 de todas las autopsias que se realizan en el mundo son por muerte tóxica. 01 toxicologia alim 24/11/08 10:15 Página 13 DESARROLLO Y EVOLUCIÓN HISTÓRICA DE LA TOXICOLOGÍA De la misma manera que la Psiquiatría se desarrolló en el seno de la Medicina Legal, para después constituirse en materia médica independiente, así la Toxicología ya no es tan sólo una faceta de la Medicina Legal, como no lo es de la Química Analítica: la amplitud de las materias y el elevado número de sustancias químicas, que bajo tantas formas y de manera continua están en contacto con el hombre, exigen una personalidad propia de las nuevas ramas de la Toxicología, especialmente de la Química toxicológica y de la Toxicología clínica. Ésta tendrá por fines la prevención, el diagnóstico y el tratamiento de las intoxicaciones que, como cualquier enfermedad, pueden manifestarse con curso agudo o crónico, presentando, en cada caso, diferentes exigencias terapéuticas. Las dificultades en alcanzar estos objetivos han suscitado la creación de un sistema intermedio, con personal especializado en proporcionar información toxicológica con fines de prevención y tratamiento. Este sistema está constituido por los «Centros de Lucha contra las Intoxicaciones», iniciados en 1952 en Estados Unidos y desarrollados hoy en todos los países. El interés y utilidad de estos centros se deduce claramente del hecho de que en Estados Unidos llegaron a funcionar en la década de 1980 unos 600 centros, aunque la aplicación de criterios de calidad ha disminuido la cifra a la décima parte (véase Capítulo 12). De las observaciones estadísticas de los centros antitóxicos (CAT) surgió la necesidad de los Servicios de Farmacovigilancia y, más tarde, de los de Toxicovigilancia (Capítulo 12), con el fin de proteger a la población de los riesgos tóxicos. El manejo por la industria de grandes cantidades de compuestos químicos, así como su transporte y almacenaje incrementan el riesgo de accidentes y consecuente afectación de los seres vivos, al igual que el empleo de sustancias químicas en acciones de guerra y de terrorismo. Todo ello ha provocado profunda preocupación en ambientes gubernamentales y clínicos con el desarrollo de programas de prevención y de tratamiento del medio ambiente y de los individuos afectados por sustancias especialmente peligrosas, internacionalmente conocidas como HAZMAT, acrónimo de la expresión inglesa hazardous materials. En el Hazardous Substances Data Bank (http:/toxnet. 13 nlm.nih.gov/help/toxnet update.html) hay registradas casi 5.000 sustancias potencialmente peligrosas y datos sobre la exposición humana así como recomendaciones para el tratamiento de urgencia tras la exposición. A otras muchas bases de datos puede accederse a través de nuestro portal de Buscatox, que incluye también un módulo de aprendizaje http://busca-tox.com. TOXICOLOGÍA INDUSTRIAL Y AMBIENTAL En el siglo XX ha adquirido extraordinaria importancia la toxicología industrial, y, de forma más amplia, la laboral u ocupacional hasta el punto de haber promovido en varios países (entre ellos España, en 1973) una nueva especialidad profesional. Este hecho se debe a las siguientes circunstancias: a) La considerable expansión de la industria. b) El crecimiento simultáneo de las diferentes ramas de la química industrial: orgánica, de los plásticos y resinas, alimentaria, farmacéutica, agrícola y química nuclear. c) El reconocimiento de los derechos del trabajador contra los posibles peligros tóxicos en el seno de la industria. El último punto requiere especial atención, pues el reconocimiento de los derechos del individuo a condiciones higiénicas de trabajo ha sido difícil de conseguir. Ya hemos citado los antecedentes históricos de Ramazzini y Ximénez de Lorite en el siglo XVIII, y aunque la legislación sobre el tema parece muy reciente, hay que recordar que el 30 de enero de 1900 fue promulgada en España la Ley de Accidentes del Trabajo, con reglamentos de aplicación aprobados por Reales Decretos de 28 de julio y 2 de agosto. En ella, aparte de especial preocupación por los accidentes, se atiende a la pureza del aire, ordenando la existencia de aparatos depuradores, filtros e instrumentos para comprobar su calidad, así como las precauciones recomendables para el manejo de sustancias tóxicas. Sin embargo, Oliveras y Soler, en Elementos de higiene industrial (1929), critican duramente algunas de las prevenciones de la Ley, por insuficientes. 01 toxicologia alim 14 24/11/08 10:15 Página 14 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Suiza fue la primera nación que estableció indemnizaciones para la enfermedad profesional, e Inglaterra y Francia publicaron las primeras listas de enfermedades, aunque comprendían un número muy reducido y destacaban como principales el saturnismo y el hidrargirismo. A partir de 1917 se impulsó en Rusia extraordinariamente la Medicina del Trabajo, para lo cual se instituyeron centros especializados en Charkow, Moscú, Leningrado, etc., mientras que Alemania, Austria, Hungría y Checoslovaquia adoptaron el sistema de Seguro de Enfermedad, y en las repúblicas hispanoamericanas se consideraba al enfermo profesional con los mismos derechos que el accidentado en el trabajo. En España se promulgó, en 1947 un Decreto de Clasificación de Enfermedades Profesionales, que establecía las Normas Médicas por las cuales han de regirse los reconocimientos, diagnósticos y la calificación de una serie de enfermedades profesionales, como las producidas por los ácidos sulfúrico, sulfuroso y sulfhídrico, por los hidrocarburos alifáticos halogenados, por el sulfuro de carbono, por los nitro y aminoderivados de los hidrocarburos aromáticos, arsénico y sus compuestos, los isocianatos, el vanadio y sus compuestos, el fósforo y sus compuestos, el mercurio, los derivados halogenados de los hidrocarburos aromáticos, etc., reglamentación que ha sido modificada por diferentes disposiciones posteriores, hasta confluir en el Instituto Nacional de Higiene y Seguridad en el Trabajo creado en abril de 1970, dependiente del Instituto Nacional de Previsión, del Ministerio de Trabajo, denominado después Servicio Social de Higiene y Seguridad en el Trabajo, integrado en el Ministerio de Sanidad y Seguridad Social (1977) y, posteriormente, de nuevo en el de Trabajo. De manera similar habría que considerar la contaminación ambiental urbana, con su incidencia en la salud del ciudadano, en el paisaje y en las obras culturales, sean pictóricas, escultóricas, arquitectónicas o de ingeniería, así como la contaminación de los espacios naturales, sus animales y su vegetación, todo ello materia de la toxicología ambiental y de la ecotoxicología. Muy expresivamente, G. Persoone distingue ambas ramas, considerando que para la toxicología ambiental es crítico o crucial que se afecten o mueran algunos individuos, pero la ecotoxicología sólo se interesa cuando se producen desequilibrios en el ecosistema. TOXICOLOGÍA BROMATOLÓGICA Y FARMACÉUTICA Asimismo, han adquirido imprescindible utilidad los estudios de bromatología toxicológica, para el control sanitario de los alimentos, en servicios que en España dependen de la Agencia Española de Seguridad Alimentaria (2001), del Ministerio de Sanidad, así como de los respectivos servicios de las Comunidades Autónomas o regionales, de la misma manera que la Dirección General de Farmacia del Ministerio de Sanidad y Consumo (R. D. de 1 de febrero de 1979), con su Agencia Española de Medicamentos y Productos Sanitarios (1999), también es la responsable de la autorización de un medicamento para que pueda ser dispensado en el país. En relación con la bromatología hay que aludir al problema de la contaminación de los alimentos por sustancias químicas voluntariamente añadidas por el fabricante o formando parte de la contaminación ambiental. Entre las primeras, los conservadores, acondicionadores organolépticos, odorantes, colorantes, hormonas, antibióticos, antisépticos, etc., que producen fenómenos tóxicos a corto o a largo plazo; y en el segundo caso los residuos de insecticidas, especialmente organoclorados, que por su persistencia se encuentran en los alimentos de procedencia vegetal y animal (p. ej., leche) y que se acumulan en nuestros tejidos grasos. Como hemos demostrado, el 100 por 100 de nuestros conciudadanos adultos estudiados contenían DDT y bifenilos policlorados (productos de amplia utilización tecnológica), al igual que el 70 por 100 de las leches maternas humanas, y el 30 por 100 de las muestras de sangre obtenidas del cordón umbilical, lo cual indica que muchos niños nacen contaminados por tales productos, incluso bastantes años después de la retirada del DDT del mercado. En nuestro segundo estudio epidemiológico vimos que en el medio rural aún persistía el DDT, mientras que en el urbano prevalecen los BPCs (Repetto et al., 1974; Martínez et al., 1993). Ante la enfermedad de Minamata, que apareció en Japón y se comprobó que era debida a intoxicación de los peces por compuestos de alquimercurio procedentes de aguas residuales de fábricas de papel, se han desarrollado campañas de control de la contaminación alimentaria por mercurio y se han promovido interesantes estudios epidemioló- 01 toxicologia alim 24/11/08 10:15 Página 15 DESARROLLO Y EVOLUCIÓN HISTÓRICA DE LA TOXICOLOGÍA gicos de la contaminación marina. El metilmercurio, por ser liposoluble, atraviesa la barrera hematoencefálica y produce lesiones irreversibles. En abril de 1973, el Ministerio de Gobernación dispuso una ordenación analítica para la detección de dicha contaminación tóxica en los peces destinados al consumo humano. El establecimiento por la OMS del IDA o máxima ingesta admisible de una sustancia en la totalidad de la dieta diaria, así como las directrices de la Comisión de la Unión Europea sobre niveles límites de contaminantes en alimentos y bebidas, están dando origen a una homogeneización de las legislaciones en los distintos países. Tanto la Organización Mundial de la Salud (OMS) como el gobierno de los EE UU y la Unión Europea han establecido las «lista positivas» y «negativas» de aditivos alimentarios permitidos o prohibidos y las cantidades o ingestas diarias admisibles (IDA) para cada uno de ellos; la UE ha iniciado la reevaluación de 300 productos edulcorantes, colorantes y aromatizantes empleados actualmente en los alimentos. Igualmente, cada vez se hacen más estrictas las legislaciones y las medidas para el control de la presencia de metales, medicamentos, plaguicidas y otros contaminantes en los alimentos, y del uso de productos para el engorde fraudulento de animales de consumo humano. Ya hemos citado la creación del Servicio de Farmacovigilancia, para el control de las reacciones adversas de los medicamentos, cada vez más importantes y frecuentes como consecuencia de la proliferación de aquéllos y su empleo a veces abusivo o indiscriminado (polifarmacia), que causa sensibilizaciones y fenómenos tóxicos por sobredosificaciones, sinergias, incompatibilidades, etc. La toxicología farmacéutica es una importante área dedicada al estudio de las cualidades tóxicas de los medicamentos, márgenes de seguridad, riesgos que comporta su uso, reacciones adversas, etc., tanto de forma inmediata como a largo plazo y en la descendencia. Entre los riesgos secundarios que deben prevenirse figuran algunos poco sospechados, como los que se provocan tras la administración continuada de medicamentos antiansiedad y somníferos que, se ha visto, incrementan la incidencia de reacciones alérgicas, alucinaciones, comportamientos anómalos en la alimentación o durante el sueño, 15 como el sonambulismo, o una variante de éste que se ha denominado síndrome alimentario nocturno, que conduce al sobrepeso. TOXICOLOGÍA REGULADORA (LEGISLACIÓN TOXICOLÓGICA) En relación con lo expuesto anteriormente, es preciso destacar que la toxicología ha llegado a ser una de las disciplinas científicas que está dando origen en nuestros días a mayor cantidad y diversidad de normativas legales. Disposiciones ministeriales o interministeriales, por propia iniciativa o como cumplimiento de recomendaciones o directrices de organismos internacionales, están produciendo un extenso cuerpo legal de raíz toxicológica. Como ejemplos citaremos las normativas que establecen límites legales de alcohol, medicamentos o drogas de adicción en sangre, orina o aliento de conductores de vehículos públicos o privados; de contaminantes o aditivos en alimentos y bebidas de consumo humano y animal; de emisión o de inmisión de contaminantes ambientales, tanto en términos generales como en el ambiente laboral; de niveles de xenobióticos, o sus metabolitos, en fluidos corporales de trabajadores expuestos, etc. Igualmente, deben citarse las normativas para la clasificación por toxicidad de las sustancias químicas y de los estudios toxicológicos exigidos para que sea autorizada la comercialización de medicamentos, plaguicidas, productos cosméticos, domésticos o industriales, etc. Muchas de las disposiciones proceden, en Europa, de las directrices de la Comisión de la Unión Europea. En su seno hay constituido un comité científico asesor en materia de toxicología y ecotoxicología, denominado Comité Científico de Riesgos Sanitarios y Medioambientales, integrado por un representante de cada país miembro. Dicho comité estudia los problemas toxicológicos, frecuentemente después de consultar a especialistas en temas concretos, y elabora informes que la Comisión tendrá en cuenta al redactar sus directrices; éstas serán seguidamente acatadas y transformadas en legislación nacional por los Estados miembros. Además, la UE ha creado (2006) la Agencia Europea de Compuestos Químicos (ECHA), encargada de cumplimentar la llamada Regulación REACH (veánse Caps. 2 y 11). 01 toxicologia alim 16 24/11/08 10:15 Página 16 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL De todo ello ha derivado el desarrollo de una toxicología reguladora, que supone, según Van de Venne y Berlin (1990), el empleo de la toxicología con fines legislativos. Como observación final en relación con la evolución y desarrollo de la toxicología, pudiera decirse que esta ciencia, que nació como auxiliar de la Justicia, colabora actualmente con el Legislador ofreciéndole bases para legislaciones que velen por el bien común (véase «Referencias toxicológicas en la legislación española», Cap. 2). En definitiva, lo que las legislaciones pretenden es minimizar el riesgo que los agentes físicos y químicos representan para los seres vivos; partiendo de lo que se ha llamado sociedad del riesgo, en que se vive sometido a las acciones persistentes o intermitentes de elementos en que se basa o derivan de nuestra forma de civilización. TOXICOLOGÍA MECANICISTA Creemos que la toxicología ya ha superado la etapa de ciencia descriptiva, de acumulación de datos, de listados de sustancias y de sus dosis tóxicas agudas y letales, aunque prosiga el desarrollo de subespecialidades órgano-específicas (neurotoxicología, dermotoxicología, nefrotoxicología, inmunotoxicología, genotoxicología, toxicología genética, etc.). Efectivamente, podemos ver que la tendencia de la toxicología en los últimos 20 años es la comprensión de los fenómenos en términos de toxicología bioquímica o toxicología molecular. Esa es, para nosotros, la línea más potente del desarrollo de la toxicología: el mejor conocimiento de las interacciones entre los xenobióticos y las biomoléculas y, aún más entre las moléculas exógenas y los mediadores intracelulares, todo ello interpretado a la luz de los progresos en genética, polimorfismos enzimáticos (por su variabilidad bioquímica) y de los estudios poblacionales. Esto requerirá una mayor atención de los toxicólogos a la bioestadística, que se ha establecido como importante ciencia auxiliar; solamente con la experta aplicación de esta herramienta podrán establecerse adecuadamente los límites máximos permitidos de contaminación ambiental urbana y en el medio laboral y en los alimentos, así como se podrán encontrar las causas de algunas enfermedades, como ciertos tras- tornos mentales y neurológicos, cuya incidencia está creciendo insistentemente sin que aún conozcamos su etiología, y en definitiva considerar más ajustadamente que ahora los grupos de riesgo. La toxicología mecaniscista o mecanística busca la identificación de todo el entramado molecular que conduce desde la exposición inicial al tóxico hasta la última manifestación de trastorno en el organismo. Así, pretende encontrar las explicaciones moleculares de cómo los xenobióticos penetran en el organismo, se distribuyen, biotransforman y excretan (es decir los procesos toxicocinéticos), cómo los xenobióticos o sus metabolitos ejercen sus efectos a través de interacciones moleculares (toxicodinámica) y, finalmente, cómo la célula, el órgano o el cuerpo reacciona frente al ataque, con respuestas que pueden ser adaptativas, de tolerancia o de reparación o bien sucumbiendo al daño. Como veremos, en ocasiones estos procesos son sencillos, se desarrollan en un único nivel, pero frecuentemente tienen lugar a través de cadenas o cascadas de acontecimientos bioquímicos. La Toxicología está cambiando rápidamente, principalmente a causa de los avances en los conocimientos de los cambios producidos en las señales de transducción celular causados por las sustancias químicas, sean endo o xenobióticos. Tienen especial actualidad las proteínas de superficie celular (cadherinas, integrinas etc.), los factores de transcripción y de transporte (chaperonas), las quinasas del estrés (MEKK), la proteínquinasa mitogénica (MAPK), los factores antiapoptósicos y proapotósicos (caspasas, Bcl, factores de necrosis, caspasacitocromo c, etc.), proteínas GTP, interacciones de proteínas Ras-Raf, el papel de las mitocondrias, y las numerosas cascadas de señales. Se está desarrollando con gran fuerza la Toxicogenómica, ciencia que estudia las modificaciones de la expresión de los genes por la acción de los tóxicos, que está soportada por las nuevas tecnologías, como el «microarray», que permiten evaluar masivamente los cambios en la expresión génica. Combina la información de los estudios a escala genómica (perfiles de expresión de ARNm), a escala proteómica (perfiles proteicos globales, tanto celulares como tisulares), de la susceptibilidad genética y de los modelos computacionales, para comprender el papel de las interacciones gen-ambiente (Rockett, 2003). 01 toxicologia alim 24/11/08 10:15 Página 17 DESARROLLO Y EVOLUCIÓN HISTÓRICA DE LA TOXICOLOGÍA En paralelo con la moderna Farmacogenética, está evolucionando la Toxicogenética, que se define como el estudio de la variabilidad clínica en la respuesta a los xenobióticos, como consecuencia de la participación de determinados genes concretos que presentan los llamados polimorfismos, y que a menudo refleja diferencias en la actividad de enzimas biotransformadoras, de las proteínas transportadoras y de los receptores (véase Capítulo 7). La explosión en el descubrimiento de muchas variantes de secuencias de ADN, particularmente de polimorfismos de un solo nucleótido (SNPs), predicen que casi 1,5 de estos nucleótidos pueden ser funcionalmente importantes. El tipado de alelos de forma predictiva podría incrementar la eficacia de los medicamentos así como mejorar su selección para cada paciente y reducir sus efectos indeseables. Ya se han caracterizado numerosos polimorfismos en los genes humanos, lo que abre nuevas perspectivas, pues la identificación y caracterización de nuevos polimorfismos en los genes que expresan enzimas han de tener una gran aplicación preventiva. Toxicología de sistemas (systems toxicology) Consiste en un estudio integrado o multidimensional de la respuesta de los organismos frente a r CIENCIAS e QUÍMICA BÁSICAS w BIOLOGÍA e FISIOLOGÍA los tóxicos, aplicando tanto los métodos tradicionales como los modernos, es decir, la observación clínica, el análisis químico toxicológico, la toxicocinética, los análisis bioquímicos y biomarcadores (de exposición, de efecto y de susceptibilidad), los estudios histológicos, el análisis molecular de expresión de genes, toxicogenómica (transcriptómica), toxicopr oteómica y metabonómica, etc. que puedan dilucidar nuevas vías y redes mecanísticas. Es decir, mientras la toxicología tradicional y reciente utilizaba argumentos racionales, tratando, por ejemplo, de identificar el gen implicado en las patologías relacionadas con cierto producto, los nuevos planteamientos operan de forma más empírica, buscando los niveles de expresión de miles de genes, algunos de los cuales pudieran estar implicados aunque otros no lo estén y obtener la mayor información posible de carácter toxicodinámico (Boelsterli, 2007). En definitiva, la Toxicología de nuestros días es fundamentalmente mecanística apoyada en los avances de la Biología Molecular, y la Figura 1.5 refleja la complejidad de la Toxicología actual, con las áreas de conocimiento que la sustentan, y su derivación a unas áreas fundamentales y unas ramas de aplicaciones prácticas. En la Rama de Toxicología General se incluye una faceta de Coordinación, de conformidad con la clasifica- FARMACOLOGÍA PATOLOGÍA MEDICINA LEGAL q TOXICOLOGÍA GENERAL r ANALÍTICA e ÁREAS w FUNDAMENTALES e q EXPERIMENTAL CLÍNICA: HUMANA ANIMAL VEGETAL DOCENCIA INVESTIGACIÓN COORDINACIÓN (*) AMBIENTAL → ECOTOXICOLOGÍA r JUDICIAL e NUTRICIONAL LABORAL RAMAS w FARMACÉUTICA TOXICOLOGÍA APLICADAS e ÓRGANO-ESPECÍFICA q TOXICOLOGÍA REGULADORA Figura 1.5. 17 Ciencias básicas, áreas fundamentales y ramas aplicadas de la Toxicología actual. Relación de Áreas y Subáreas. 01 toxicologia alim 18 24/11/08 10:15 Página 18 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL ción de toxicólogos que se propuso por la OMS (1982) en unos profesionales de nivel I, especializados en cualquiera de las ramas, y otros de nivel II, responsables de la coordinación o dirección de equipos de toxicólogos. ENSEÑANZA DE LA TOXICOLOGÍA De todo lo expuesto se deduce claramente que la toxicología, en cualquiera de sus ramas, está sometida a un intenso desarrollo que, normalmente, encuentra el obstáculo de una deficiente implantación en las universidades. Ya hemos referido cómo Fuhner en Alemania (1956) y Fournier en Francia (1968) se lamentaban de la deficiente programación de los estudios de toxicología en sus respectivos países, como ya lo hiciera, para España, Pedro Mata en el siglo XIX, y nosotros repetidamente en el siglo XX. La situación de carencia fue denunciada duramente en la revista Archives of T oxicology por Aldridge y Schlatter (1980), en el trabajo Training and Education in T oxicology, que por su interés fue traducido al español y publicado por la Asociación Española de Toxicología. Los autores decían textualmente que el número de cátedras y departamentos de Toxicología en las instituciones académicas de Europa era inadecuado para el desarrollo equilibrado de la educación en este tema, y era urgente crear departamentos que gozasen de un status igual al de las otras disciplinas biomédicas, y reclamaban el reconocimiento de la Toxicología como materia multidisciplinar. En los últimos años de la década de los 70, la Oficina europea de la Organización Mundial de la Salud (OMS, WHO) promovió la creación de comisiones que estudiasen las necesidades que tendría Europa de especialistas en Toxicología hacia el año 2000 y las acciones formativas que deberían desarrollarse para cumplir las expectativas. Las previsiones fueron publicadas por el Programa Internacional de Seguridad Química (IPCS), perteneciente a la OMS, en 1981, con el nombre de Manpower development for contr ol of chemicals y Manpower in toxicology (1982) en un significativo esfuerzo para aclarar la situación y estimular a los gobiernos a preocuparse por la formación en toxicología. En años posteriores, una comisión de la Unión Europea realizó encuestas en los Estados Miembros para constatar la docencia de toxicología en sus universidades. Como paliativo, en distintos lugares se comenzaron a organizar cursos para postgraduados. En 1978, la Federación Mundial de Centros Antitóxicos y de Toxicología clínica formó una comisión para organizar cursos internacionales por vía postal. El Departamento de Salud de EE UU instituyó ayudas para programas especiales en numerosas universidades, dirigidos al adiestramiento de toxicólogos, de la misma manera que en Iberoamérica se organizan cursos nacionales e internacionales con idéntico objetivo. También están proliferando cursos a distancia, a través de Internet, para postgraduados, como los que nosotros organizamos desde la Universidad de Sevilla o desde otras instituciones (http://www. busca-tox.com). Sin embargo, desde hace muchos años venimos insistiendo en que, lo más importante para el desarrollo y la utilidad de la Toxicología no son los cursos de postgrado, que tienen un objetivo de formación de especialistas y profesores, sino la docencia de asignaturas de Toxicología en el pregrado, y esto no debe limitarse a las carreras clásicas, sino extenderse a todas las de carácter sanitario, de Ciencias de la Salud o Ciencias de la Vida, así como a todas aquellas en que se contemple la fabricación, manipulación y uso de sustancias químicas, como las ingenierías industriales, agronómicas, etc., y en las carreras de carácter alimentario y ambiental, lo que poco a poco se va convirtiendo en realidad. El primer paso decisivo fue la creación de cátedras de toxicología independientes de otras materias, como Medicina Legal, Farmacología, Análisis químico, etc., para permitir un desarrollo y evolución propios, lo que si bien ocurrió en Francia en 1834, al crearse en la Facultad de Farmacia de París la primera cátedra de toxicología del mundo, ha sido seguido con enorme lentitud en otros lugares. Tradicionalmente los estudios universitarios de materias toxicológicas han venido realizándose en España en las facultades de Farmacia, Medicina y Veterinaria unidos a otras disciplinas, en relaciones que hoy pueden parecernos extrañas, aunque afortunadamente nuevos planes académicos han mejorado la situación. 01 toxicologia alim 24/11/08 10:15 Página 19 DESARROLLO Y EVOLUCIÓN HISTÓRICA DE LA TOXICOLOGÍA En la licenciatura de Farmacia existió una asignatura que se denominó de Análisis Químico de Alimentos, Medicamentos y Venenos, y que después se titulaba de Análisis Químico Aplicado, Bromatología y Toxicología. Hacia 1970 se desglosó tímidamente en algunas universidades una «ampliación» de Toxicología, que en 1997 adquiere carácter troncal, como Toxicología General, junto con otras asignaturas, de carácter obligatorio y/o específico, de Toxicología de los Medicamentos, de los Alimentos o Ambiental. En las facultades de Medicina hubo una macroasignatura de Medicina Legal, Psiquiatría y Toxicología, de la que se desglosó la Psiquiatría en los años cincuenta, permaneciendo la Toxicología supeditada a la material legal. Afortunadamente, en los nuevos planes de estudio, aunque, lógicamente, persista una Medicina Legal y Toxicología Forense, se incrementa la presencia de la Toxicología en Patología y Prácticas Médicas, enfermedades infecciosas e intoxicaciones, Medicina de Urgencia, Medicina Preventiva y otras materias, pero sin que llegue a consolidarse una Toxicología Clínica. La licenciatura de Veterinaria tuvo tradicionalmente una Farmacología, Veterinaria Legal y Toxicología, de la que en los años ochenta se desglosó la Farmacología; en los nuevos planes también se contemplan algunas especialidades toxicológicas y ecotoxicológicas. Pero además, en los programas de la licenciatura de Química aparece la toxicología en varias materias obligatorias y optativas; igualmente hay asignaturas de toxicología en las nuevas licenciaturas de Ciencias Ambientales y de Ciencia y Tecnología de los Alimentos, y aparecen como optativas en los programas de Bioquímica, Biología, etc. Acreditación y Registro de toxicólogos Desde 1979, el American Board of Toxicology, organización independiente radicada en Washington DC, expide certificados que acreditan sólida capacitación y continuada actividad profesional en Toxicología; los nombres de estos toxicólogos se mantienen en una lista o Registro durante un periodo de tiempo, generalmente cinco años, al cabo de los cuales hay que demostrar que se sigue ejerciendo la profesión para conseguir mantenerse en el 19 Registro; en Europa, varios países y la asociación EUROTOX han implantado un sistema similar. En España, la Asociación Española de Toxicología gestiona el Registro Nacional de Toxicólogos profesionales, cuyos nombres también son incluidos y publicados en el registro de EUROTOX (véase http://aetox.es). BIBLIOGRAFÍA Aldridge WN, Schlatter Ch. Training and education in Toxicology. Archives of T oxicology, 1980, 45,249256. Backer RC. Forensic toxicology. En: Balantyne B, Marrs T, Turners P (eds.). General and applied toxicology, vol. 2: Basingstoke, Macmillan Press, 1993. Bass R, Vamvakas S. The toxicology expert: what is required? Toxicology Letters, 2000, 112-113, 383-389. Berlin A, Hoet P, Lauwerys R, Van der Venne M Th. Survey of training pr ogrammes in toxicology in the European Community. Luxembourg, 1989. Boelsterli UA. Mecanistic toxicology . 2.a ed. Boca Raton. CRC Press, 2007. Boyland E, Goulding G. Modern trends in toxicology . Londres: Butterworths, 1968. BUSCATOX: http:// busca-tox.htm. Chengelis ChP, Holson JF, Grad ShC. Regulatory toxicology. 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TOXICIDAD La Toxicología, simplemente, es la ciencia que estudia los venenos, sustancias de diverso origen usadas por el hombre desde la más remota antigüedad por sus cualidades nocivas, y también por supuestas propiedades afrodisíacas o venéreas, es decir, relacionadas con el amor de Venus, de donde se hace derivar el término veneno. El vocablo tóxico procede etimológicamente del griego antiguo toxikon, que significa «vida de amor», paradoja que se repite en otros idiomas, como el inglés y el alemán, donde gift (veneno) también quiere decir «regalo». En el griego moderno, toxon significa arco, y toxikon alude a algo propio para el arco o la flecha, refiriéndose quizás a las sustancias empleadas para envenenar éstas. Según el concepto actual, un tóxico es una sustancia que puede producir algún efecto nocivo sobre un ser vivo, y como la vida, tanto animal como vegetal, es una continua sucesión de equilibrios dinámicos, los tóxicos son los agentes químicos o físicos, capaces de alterar alguno de estos equilibrios. Recientemente ha sido propuesta una definición en el sentido de que tóxico es toda radiación física o agente químico que, tras generarse internamente o entrar en contacto, penetrar o ser absorbido por un organismo vivo, en dosis suficientemente alta, puede producir un efecto adverso directo o indirecto en el mismo (Guitart, 2008, modificada). De acuerdo con esto, cualquier sustancia puede actuar como tóxico, ya que tanto los productos exógenos como los propios constituyentes del organis- mo, cuando se encuentran en él en excesivas proporciones, pueden producir trastornos tóxicos. Dichos compuestos exógenos se denominan xenobióticos. De aquí se deriva que el concepto de toxicidad posea un carácter relativo. No hay sustancias atóxicas; cualquier producto químico actuará como tóxico, a unas determinadas condiciones del sujeto, de la dosis y del ambiente. Este concepto, que parece contrastar con las ideas del vulgo, no es nuevo, sino que fue enunciado por Paracelso (siglo XVI), cuando afirmó que «todo depende de la dosis». Una sustancia que administrada en pequeña cantidad produzca daño, será más tóxica que otra sustancia que precisa mayor dosis para originar el mismo daño. Efectivamente, veamos varios ejemplos: El agua es indispensable para la vida, muchos organismos están constituidos en más de sus dos terceras partes por agua; sin embargo, un exceso de agua ingerida, o una enema rectal de agua destilada, puede producir la muerte por intoxicación hídrica. El oxígeno o la glucosa son imprescindibles para la mayoría de los organismos, pero sabemos que su exceso conduce a graves trastornos y a la muerte; recordemos el clásico efecto Pasteur de inhibición del crecimiento microbiano, al aumentar la concentración de glucosa en el medio, base de las conservas azucaradas. De la misma manera, la vida se hace imposible en una atmósfera de oxígeno puro, porque se consume rápidamente el ácido gammaaminobutírico, moderador de la transmisión nerviosa central, y 21 02 toxicologia alim 22 24/11/08 11:27 Página 22 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL como consecuencia, se producen graves alteraciones nerviosas, convulsiones y la muerte. En principio, los conceptos tóxico y veneno son sinónimos, pero en la actualidad, el primero de ellos se toma en su más amplio sentido, con carácter general, para designar a un agente químico o físico perturbador de los equilibrios vitales, mientras que la palabra «veneno» se reserva para aplicarla a ese mismo agente cuando su empleo fue intencionado. De aquí que por intoxicación se entienda un trastorno producido de forma accidental, y por envenenamiento la consecuencia de un hecho voluntario, sea por parte del sujeto agente o del paciente (homicidio o suicidio). De todo esto, y de lo expuesto en el capítulo anterior, definimos la Toxicología como la ciencia que estudia las sustancias quimicas y los a gentes fisicos en cuanto son capaces de pr oducir alteraciones patológicas a los ser es vivos, a la par que estudia los mecanismos de pr oducción de tales alteraciones y los medios par a contr arrestarlas, así como los procedimientos para detectar, identificar y determinar tales agentes y valorar y prevenir el riesgo que representan. LA INTOXICACIÓN Y SUS CLASES La acción de un agente tóxico sobre un organismo se traduce en una alteración del estado fisiológico o de salud; por tanto, una intoxicación es una enfermedad. Según el grado de afectación del individuo, la intoxicación puede calificarse como leve, moderada y severa o grave. También puede ser considerada bajo un criterio patocrónico, es decir, estimando su curso o evolución en función del tiempo, y así podemos clasificarlas de intoxicaciones agudas, crónicas y recidivantes (Figura 2.l). Intoxicación aguda. Consiste en la aparición de un cuadro clínico patológico, tras una única exposición a una sustancia o múltiples exposiciones en un periodo de 24 horas. El caso más representativo es la presentación de fenómenos tóxicos antes de las 24 horas de una única absorción del agente. La evolución puede llevar al intoxicado a la muerte, o a una recuperación total o parcial, en la cual quedarían secuelas o lesiones persistentes. La intoxicación retardada es una forma especial de intoxicación aguda en la que la sintomatología no se manifiesta hasta varios días o semanas des- Figura 2.1. Clasificación patocrónica de las intoxicaciones. 02 toxicologia alim 24/11/08 11:27 Página 23 CONCEPTOS Y DEFINICIONES: TOXICOLOGÍA. TOXICIDAD pués de la absorción, como ocurre con el fósforo, el talio, el paraquat, etc. Intoxicación subcrónica . Cuadro clínico por exposición repetida a un agente durante un periodo de tiempo inferior al 10 por 100 de la vida media de la especie considerada. Anteriormente se había denominado como subaguda, expresión ahora obsoleta pues daba lugar a confusión con una intoxicación grave desde el punto de vista clínico. La evolución presenta las mismas posibilidades que la intoxicación aguda, aunque clínicamente suele ser menos grave. Intoxicación crónica. Es la consecuente a la repetida absorción de un tóxico. A veces esta absorción se produce en cantidades por sí mismas insuficientes para hacer patentes trastornos tóxicos, pero que por acumulación del producto dentro del organismo, normalmente en órganos o tejidos concretos, o por suma de efectos lesivos, con el transcurso del tiempo, lleva a estados patológicos. Muchas veces los trastornos permanecen latentes (subclínicos) hasta que por cualquier causa se manifiestan, ya sea por una bajada de la condición fisiológica general (enfermedad), ya sea por una movilización del tóxico de los lugares donde estuviera depositado, lo que produciría una intoxicación aguda al aumentar los niveles hemáticos del agente. La intoxicación crónica es muy frecuente en nuestros días como consecuencia del mal uso de medicamentos, productos industriales y plaguicidas, de la contaminación ambiental y las toxicofilias. Suelen presentar cuadros clínicos difusos, poco claros, que frecuentemente inducen a confusión con diversas enfermedades, lo cual obstaculiza una terapéutica apropiada. La repetición de intoxicaciones y las intoxicaciones recidivantes conducen al individuo a estados de deficiencia biológica, que se oponen a la recuperación cada vez con mayor intensidad, y debido a ello la restitución es en cada caso más deficiente (Figura 2. l). GLOSARIO DE CONCEPTOS TOXICOLÓGICOS La base de toda ciencia es la solidez conceptual La multidisciplinaridad de la toxicología, el hecho de que personas con distinta formación académica la estudien, trabajen en ella o la enseñen, 23 hace recomendable velar por la pureza y apropiado uso de los conceptos. Con esa intención se ofrecen diversos términos tomados de la versión española del Glosario de la IUPAC (Repetto y Sanz, 1995), o de otras fuentes. que se indican a cada caso. Abreviaturas utilizadas: ant.: antónimo, opuesto m. est.: más estricto m. gral.: más general mr: M. Reppetto ps P. Sanz sin.: sinónimo sin. p.: sinónimo parcial t. rel.: término relacionado ver. esp.: aportación de la versión española absorción (biológica). Proceso de entrada o transporte, activo o pasivo, de una sustancia al interior de un organismo; puede tener lugar a través de diferentes vías. activación metabólica. Biotransformación de una sustancia, de toxicidad relativamente baja, en un derivado tóxico, m. gral. activación, biotranformación. m. est. síntesis letal. sin. bioactivación. acumulación. Sucesivas retenciones de una sustancia por un organismo diana, un órgano o una parte del medio ambiente, que conducen a un aumento de la cantidad o la concentración de la sustancia en los mismos. OMS, 1989a. administración (de una sustancia). Aplicación de una cantidad conocida de una sustancia a un organismo por una ruta definida y un procedimiento reproducible. aducto. Producto, generalmente de gran tamaño molecular, formado por la unión de dos sustancias (en Toxicología, un compuesto activo y una molécula biológica), sin que ninguna de ellas sufra pérdidas en su estructura. (mr). afinidad. 1) En Química, compatibilidad electrónica entre dos átomos o moléculas que se atraen y llegan a formar una nueva molécula con un descenso de la energia libre. 2) En Farmacología y Toxicología, cualidad que depende de la concor- 02 toxicologia alim 24 24/11/08 11:27 Página 24 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL dancia fisicoquímica y espacial entre una biomolécula (receptor) y otra molécula (agonista o ligando) que les permite acoplarse mutuamente, lo que provoca una acción que se manifiesta como efecto; se valora como eficacia. (mr). ca mediante una acción química relativamente específica. Nota ver. esp.: Esta acción molecular es antídoto- tóxico, mientras que el antagonista actúa por vía farmacológica o mecanismo fisiológico. t. rel. antagonista. agudo. Exposiciones o efectos a corto plazo. 1) En toxicología experimental, estudios de corta duración, normalmente de 24 h, o de dos semanas o menos, iniciados por la administración de una dosis única. ant. crónico. 2) En clínica médica, patología súbita y grave con curso rápido. antígeno. Sustancia que induce al sistema inmunitario a producir células específicas o anticuerpos específicos; se combina con lugares específicos de unión (epítopes) de los anticuerpos o las células. Nagel et al., 1991. t. rel. anticuerpo, epítope. agente alquilante. Sustancia que introduce un grupo alquilo (cadena lineal) en un compuesto. Por extensión se aplica también a otros grupos moleculares. t. rel. agente acilante (introduce un grupo ácido). alcalosis. Situación patológica en la que la concentración de ion hidrógeno en los fluidos biológicos es inferior a la normal, por lo que el pH de la sangre se eleva por encima de la normalidad. ant. acidosis. alcoholímetro. 1) Aparato (densímetro) usado para apreciar la graduación alcohólica de un líquido; sin. alcohómetro, pesaalcohol. 2) Dispositivo para medir la cantidad de alcohol en el aire espirado. sin. etilómetro, (ver. esp.) alelo. Cada una de las diversas formas de un gen que aparece en la misma posición relativa (locus) de cromosomas homólogos. Cada gen humano tiene dos variantes o alelos, uno que procede del padre y otro de la madre. t. rel. gametos, meiosis, locus. antimetabolito. Sustancia estructuralmente similar a un metabolito, que compite con él o lo reemplaza, y así evita o reduce su función normal. apoptosis. Proceso fisiológico previsto de muerte y desintegración de tejidos dentro del desarrollo normal de los seres vivos. t. rel. necrosis. artefacto. Hallazgo o consecuencia de las técnicas experimentales o de observación, que no es propio u original del sistema que se estudia. autopsia (del latín, ver por sí mismo). Examen postmorten de los órganos y tejidos corporales para determinar la causa de la muerte o situaciones patológicas. t. rel. biopsia. sin. necropsia. bioacumulación. Incremento progresivo de la cantidad de una sustancia en un organismo o parte de un organismo, que ocurre porque la velocidad de captación excede la de eliminación. t. rel. bioconcentración, biomagnificación. alergeno. Sustancia antigénica capaz de producir hipersensibilidad. t. rel. alergia, antígeno, hipersensibilidad. bioconcentración. Proceso que conduce a una concentración mayor de una sustancia en un organismo que en el medio ambiente en el que es expuesto. t. rel. biomagnificación alimentaria, cadena. Secuencia o serie de especies que se alimentan unas de otras, en cuya sucesión se transmiten y concentran, entre otras, sustancias tóxicas (ver. esp.). sin. cadena trófica. biodisponibilidad. Proporción de la dosis que una sustancia absorbida por cualquier vía alcanza en la circulación sistémica. anticuerpo monoclonal. Anticuerpo producido por células clonadas a partir de un único linfocito. m. gral. anticuerpo. t. rel. anticuerpo policlonal. antídoto. Sustancia capaz de contrarrestar o reducir el efecto de una sustancia potencialmente tóxi- bioensayo. Procedimiento para estimar la concentración o actividad biológica de una sustancia midiendo su efecto sobre un sistema vivo. bioindicador. Especie o grupo de especies representativas y típicas de un estado específico de un ecosistema, que aparece con una frecuencia suficiente 02 toxicologia alim 24/11/08 11:27 Página 25 CONCEPTOS Y DEFINICIONES: TOXICOLOGÍA. TOXICIDAD para emplearse para monitorización y cuya población muestra una respuesta sensible a los cambios. biomagnificación. Proceso por el que se consiguen concentraciones más altas de una sustancia en los organismos de los niveles superiores de la cadena trófica del ecosistema; de una forma más simple, es el proceso por el cual la concentración de una sustancia es mayor en un organismo que en su alimento. t. rel. bioconcentración. biomarcador. Indicación de un acontecimiento o condición en un sistema biológico o muestra que proporciona una medida de exposición, efecto o susceptibilidad. Debe poder cuantificarse un compuesto u alteración bioquímica, fisiológica, conductual o de otro tipo en un organismo. biopsia. Excisión de un pequeño trozo de tejido de un ser vivo, para su estudio bloquímico o histológico, normalmente con fines diagnósticos. t. rel. autopsia, necropsia. carcinógeno. Agente físico, químico o biológico capaz de incrementar la incidencia de neoplasias malignas. sin. cancerígeno. IARC, 1987. carcinoma. Tumor maligno de células epiteliales. sin. epitelioma. t. rel. sarcoma. catabolismo. Proceso de biotransformación de moléculas complejas a otras más simples, lo que proporciona a menudo energía biológicamente disponible. ant. anabolismo. m. gral. metabolismo. chaperona. (en inglés, acompañante). Proteína sin actividad enzimática que facilita o impide la formación de agregados moleculares en las reacciones bioquímicas. (ps). 25 concentración. Cantidad de una sustancia, expresada en peso o en moles (S), por unidad de peso o volumen del medio en que se encuentra (C = S/kg; C = S/L). Puede expresarse como porcentaje (riqueza). No es sinónimo de dosis. concentración efectiva (CE). Proporción de una sustancia en un medio que causa un determinado efecto en un sistema dado; la CE-50 es la concentración que causa el 50 por 100 del efecto máximo. t. rel. concentración letal. concentración letal (CL). Proporción de una sustancia tóxica en un medio, que causa la muerte después de un cierto período de exposición. OMS, 1979. t. rel. concentración efectiva, dosis letal. concentración letal mínima. La más baja que se sepa produce la muerte. Nota. Los conceptos concentración letal, concentración letal mínima, concentración tóxica, concentración tóxica mínima, etc. son distintos del de dosis, pues se trata de la proporción o riqueza del tóxico en el medio ( sea aire, agua, alimento o tejidos o fluidos de un intoxicado). concentración media ponder ada en el tiempo o valores de exposición diaria (VLA-ED, TLV-TWA). Es el valor límite establecido para una jornada normal de trabajo de 8 horas y una semana laboral de 40 horas, al que pueden estar expuestos casi todos los trabajadores repetidamente día tras día, sin manifestar efectos adversos. ACGIH, 1993. t. rel. media ponderada en el tiempo. confianza, intervalo de. Conjunto de valores ordenados en el que se encuentra comprendido el valor de un parámetro de una población, con una probabilidad que viene determinada por un nivel de confianza preestablecido (1 – α). Mide la precisión de la estimación del parámetro. clon. Población de células derivada, por mitosis, de una célula única. crítico, efecto. Primer efecto adverso que aparece cuando en el órgano crítico se alcanza la concentración o nivel umbral (crítico). OMS, 1989a. clónico. Rápida sucesión de contracciones y relajaciones musculares alternativas. t. rel. tónico. IRIS, 1986. cromátida. Cada uno de los dos filamentos unidos por el centrómero que forman un cromosoma. cocarcinógeno. Factor físico, químico o biológico que intensifica el efecto de un carcinógeno. cromatina. Complejo coloreable de ADN y proteínas presentes en el núcleo de una célula eucariótica. t. rel. eucariota. 02 toxicologia alim 26 24/11/08 11:27 Página 26 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL cromosoma. Estructura autorreplicante formada por ADN complejado con proteínas, implicada en el almacenamiento y transmisión de la información genética; la estructura física que contiene los genes. Nagel et al., 1991. t. rel. cromátida. Las moléculas de ADN miden de 1,5 a 8,5 cm., por lo que han de estar muy compactadas en los cromosomas. Las células humanas poseen 46 cromosomas, distribuidos en 22 parejas de cromosomas homólogos y una pareja de cromosomas sexuales, que son homólogos (XX) en la mujer, y heterólogos (XY) en el hombre. Las células somáticas (corporales) poseen las 23 parejas, y se denominan diploides, mientras que las células germinales tienen un solo ejemplar de cada pareja (haploides, del griego simple) que se completan en la fecundación al unirse a la germinal del otro sexo. desintoxicación. Tratamiento de pacientes intoxicados a fin de reducirles la probabilidad o severidad de los efectos nocivos. t. rel. destoxicación. destoxicación. Procesos de transformación química que hacen a una molécula menos tóxica. t. rel. desintoxicación. (ver. esp.) diana (biológica). Población, organismo, órgano, tejido, célula o constituyente celular sobre el que ejerce su acción un agente físico, químico o biológico. OMS, 1979. t. rel. receptor. diastereómeros. Estereoisómeros que no son imágenes especulares ni superponibles. (ver. esp.) t. rel. enantiómeros. diastereómeros cis-trans. Estereoisómeros que tienen diferentes sustituyentes en el mismo lado o en lados opuestos de un doble enlace o de un anillo. dosis. Cantidad de sustancia administrada o absorbida por un individuo en proporción a su peso o volumen corporal, ordinariamente en 24 horas. Se suele expresar en mg/kg. (ver. esp.) dosis efectiva (DE). Dosis de una sustancia que origina un efecto definido en un sistema dado; la DE-50 es la dosis que causa el 50 por 100 del efecto máximo. m. gral. dosis. t. rel. dosis letal, DL-50. dosis letal media (DL50). Dosis, calculada estadísticamente, de un agente químico o físico (radiación) que se espera que provoque la muerte al 50 por 100 de los organismos de una población bajo un conjunto de condiciones definidas. dosis letal minima (DLmin). La menor cantidad de sustancia que introducida en el organismo produce la muerte a algún individuo bajo un conjunto de condiciones definidas. dosis máxima toler able (MTD, en inglés). Cantidad máxima de una sustancia que introducida en el organismo no mata a los animales de experimentación. dosis tóxica. Proporción de una sustancia que produce intoxicación sin que llegue a ser letal. efecto cuantal. Condición que puede expresarse solamente como que «ocurre» o que «no ocurre», como la muerte o la aparición de un tumor. ant. efecto gradual. t. rel. efecto aleatorio. sin. efecto todo o nada. efecto latente. Aún no manifestado (ver. esp.) t. rel. efecto retardado. efecto poblacional. Número absoluto o incidencia de casos ocurridos en un grupo de individuos. efecto retardado. Cambios aparecidos un tiempo después de terminada la exposición a un tóxico. sin. p. efecto latente; t. rel. periodo de latencia. efecto sistémico. De carácter generalizado o que ocurre en distinto lugar de aquel por el que el agente penetró en el cuerpo. Requiere la absorción y distribución del tóxico por el cuerpo. ant. efecto local. efecto subclínico. Cambio biológico consecuente a la exposición a un agente patógeno, antes de que aparezcan los síntomas de la enfermedad. efecto subcrónico. Cambio biológico resultante de una exposición durante el 10 por 100 del periodo de vida del organismo estudiado; en experimentación animal con roedores se estima este periodo como de tres meses (90 días). sin. p. efecto subagudo. t. rel. toxicidad suberónica. 02 toxicologia alim 24/11/08 11:27 Página 27 CONCEPTOS Y DEFINICIONES: TOXICOLOGÍA. TOXICIDAD enantiómeros. Estereoisómeros que son imágenes especulares, pero no superponibles (ver. esp.) t. rel. diastereómeros. endotelio. Capa de células planas que cubre la superficie interna de los vasos sanguíneos y linfáticos, de las membranas serosas y sinoviales y las cavidades orgánicas. (ver. esp.) enzima. Catalizador de las reacciones bioquímicas, y facilita la transformación de los sustratos. epidemiologia. Estudio de la distribución de estados de salud y sus determinantes en las poblaciones, y la aplicación de este estudio al control de problemas sanitarios. Last, 1988. epigenesis, epigenético. Cambios en un organismo a causa de alteraciones en la expresión de la información genética, sin alteración del genoma; se afecta al fenotipo pero no el genotipo. t. rel. mutación, fenotipo, tumor. epitelio. Capa, generalmente múltiple, de células que cubre la superficie externa y algunas internas del cuerpo, como la piel, mucosas, los bronquios, intestino, etc., y forma las glándulas. eritema. Enrojecimiento de la piel producido por congestión (afluencia o acumulación de sangre, generalmente por vasodilatación) de los capilares. (ver. esp.) esclerosis. Endurecimiento de un órgano o tejido, generalmente a causa de crecimiento excesivo de tejido fibrótico. estupefaciente. Sustancia que disminuye la actividad del sistema nervioso y, consecuentemente, la actividad psíquica y mental. (ver. esp.) sin. narcótico. especificidad. manifestación de la afinidad de dos moléculas químicas o una química y otra biológica (receptor) que, cuando se emparejan, provocan siempre el mismo efecto (especifidad de unión y de acción) . (mr) etilómetro. sin. de alcoholímetro, 2.a acepción. (ver. esp.) 27 eutrofización. Cambio adverso en las características biológicas o químicas de una masa de agua por depleción del contenido en oxígeno debido a depósito de materia orgánica como resultado de una producción primaria elevada al aumentar el aporte de nutrientes. exposición. 1) Situación en la cual una sustancia puede incidir, por cualquier vía, sobre una población, organismo, individuo, órgano, tejido o célula diana (ver. esp.) 2) Concentración, cantidad o intensidad de un determinado agente físico, químico o biológico, que incide sobre una población, organismo, individuo, órgano o célula diana; usualmente se expresa en términos cuantitativos de concentración, duración y frecuencia (para agentes químicos y microbiológicos) o de intensidad (para agentes fisicos). t. rel. tiempo de exposición, limites de exposición. exposición crónica. Exposición continua durante un largo periodo o una fracción significativa del tiempo de vida de los individuos considerados. ant. exposición aguda. fármaco. En sentido amplio, cualquier producto que puede ser absorbido por un organismo, difundirse en él y producirle cambios, favorables o no. Los fármacos empleados para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades son los medicamentos. sin.: xenobiótico. (mr). factor de pendiente de cáncer (CSF). Expresa el incremento de riesgo por unidad de dosis (en mg/kg de peso/día) como probabilidad de que se produzca cáncer frente a dosis vitalicias. Peña, 2000. t. rel. unidad de riesgo de cáncer. fenotipo. Características observables de un organismo, estructurales y funcionales, determinadas por el genotipo y moduladas por el ambiente. Nagel et al. 1991. t. rel. genotipo. fibrilación. Temblor muscular. fibrosis. Formación anormal de tejido fibrótico, con endurecimiento del conjuntivo, a partir de los fibroblastos. 02 toxicologia alim 28 24/11/08 11:27 Página 28 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL gen. Unidad básica estructural y funcional de material hereditario. Es un tramo de ADN situado en un locus, de función conocida: una secuencia ordenada de nucleótidos que codifica la síntesis de una cadena de polipétido (traducción), o una secuencia reguladora que hace posible la traducción. sin. cistron. genotipo. Composición alélica específica de una célula bien referida al total del genoma o, más comúnmente, a un gen o conjunto de genes. Suzuki et al., 1989. genotóxicos. Agentes físicos o químicos que producen daño en el material genético celular. genotoxicología. Estudia los efectos de los tóxicos sobre el material genético. hiperplasia. Excesiva multiplicación de células normales en un órgano o tejido. hipertrofia. Aumento excesivo del volumen o tamaño de un órgano o tejido. hormesis. Efecto beneficioso de una sustancia (hormetina) a dosis bajas, que se comporta como tóxica a dosis más altas. (ver. esp.) in silico. Modelos predictivos; alternativa no experimental que se apoya en sistemas computarizados con modelos matemáticos que relacionan cuantitativamente la estructura química y la actividad bioquímica y fisiológica (QSAR), toxicocinética y cinética ambiental, etc. de los compuestos químicos apoyándose en datos teóricos y experiencias previas. (g.r.). intoxicación. Proceso patológico, con signos y síntomas clínicos, causado por una sustancia de origen exógeno o endógeno. in vitro. Literalmente, en vidrio. Estudio de laboratorio realizado sobre células, tejidos u órganos aislados o con sistemas subcelulares o bioquímicos (enzimas). ant. in vivo. in vivo. Estudio realizado sobre individuo vivo. ant. in vitro. Índices biológicos de exposición (IBE). Son parámetros actualmente utilizados para poner de manifiesto la absorción o acumulación de un xenobióti- co por un ser vivo; pueden servir como criterios para valorar el grado de afectacion. Se definen como la expresion numérica de un parámetro biológico en relación con la incidencia de un xenobiótico sobre la salud del individuo. Normativas de distinto rango pueden establecer los IBE como valores límites biológicos (BLV o BTL). Hay varios tipos de IBE: a) Químicos: Concentración del tóxico, o sus metabolitos, en los fluidos o tejidos biológicos. b) Bioquímicos: Modificación de parámetr os bioquímicos fisiológicos (metahemoglobina, iones, glucosa, glucógeno, actividades enzimáticas, etc.). c) Funcionales: Alteraciones objetivables de funciones fisiológicas (capacidad respiratoria, volumen-minuto circulatorio, conductividad nerviosa, reflejos, reacción muscular, diuresis, etc.). d) Histológicos: Lesiones tisulares. Índices de Calidad Ambiental (ICA). Es una forma de resumir las características del medio ambiente para evaluar sus condiciones en relación con la salud de la población. Podemos considerar cuatro grados o niveles: I. Admisible. Representa un estado ambiental saludable, con proporciones de contaminantes a las que no aparecen alter aciones f isiológicas ni reacciones de protección o adaptación. II. Alerta (percepción). Se presentan reacciones de molestia al ser percibidas por los órganos de los sentidos (umbral de percepción) y se inducen respuestas fisiológicas reflejas (lacrimeo, tos y estornudo). Supone necesidad de limitar los efluentes. III. Alarma. Contiene concentraciones capaces de producir o a gravar patolo gias cróni cas, con previsible aumento de morbilidad y mortalidad, especialmente para enfermos cardiorrespiratorios. IV. Peligro. Son valores a los que se producirán, probablemente, patologias a gudas en la mayor parte de la población. Es situación de emergencia. Ingesta Diaria Admisible (IDA), Ingesta Diaria Tolerable (IDT, TDI) o Dosis Diaria Admisible (DDA). Dosis máxima de una sustancia (contaminante, metal, plaguicida, aditivo alimentario, etc.) que se estima puede ser ingerido diariamente por 02 toxicologia alim 24/11/08 11:27 Página 29 CONCEPTOS Y DEFINICIONES: TOXICOLOGÍA. TOXICIDAD un individuo durante toda la vida sin riesgo apreciable para su salud. Se expresa en mg/kg de peso corporal/día, como suma de la totalidad de la sustancia que pueda absorberse proveniente de todas las fuentes. OMS, 1987. Puede apostillarse como definitivo o como provisional, en función de los conocimientos toxicológicos, y también puede referirse a absorción diaria (p.ej. ingesta máxima diaria tolerable provisional o temporal, PMTDI en inglés) que se aplica a tóxicos no acumulativos, o a exposición semanal (ingesta semanal toler able provisional, PTWI) para tóxicos acumulativos, como los metales. Cuando no se ha establecido oficialmente se le denomina IDA especificada. isómeros. Compuestos que poseen la misma fórmula molecular pero distintas propiedades. isómeros espaciales o g eométricos. Compuestos con los mismos átomos pero con diferente disposición espacial. Pueden ser enantiómeros o quirales (un isómero es la imagen en el espejo del otro y no poseen un plano de simetría; son d,+ ó R, ó bien, l, «–» ó S) o diastereoisómeros que no son imágenes especulares y un plano los puede dividir en dos trozos simétricos. isquemia. Deficiencia local de aporte de sangre y, por tanto, de oxígeno a un órgano o tejido, a causa de obstrucción o constricción de algún vaso sanguíneo. línea celular. Población establecida de células obtenidas a partir del subcultivo de un cultivo primario. t. rel. estirpe celular. linfocito. Célula sanguínea, del grupo de los leucocitos, capaz de sensibilizarse y desarrollar una respuesta inmunitaria; hay dos tipos de linfocitos: B y T. t. rel. respuesta inmunitaria. margen de e xposición (MOE, en inglés), margen de seguridad (MOS, en inglés). Relación entre el nivel sin efecto adverso observable (NOAEL, en inglés) y la dosis o concentración teórica o estimada. t. rel. índice terapéutico. máxima concentración admisible (aceptable o permisible) (MAC, en inglés). Concentración máxima aceptable a la que una persona puede exponerse durante cierto tiempo. Es la concentración que si es inhalada diariamente (en el caso de personas que trabajan 8 horas, cinco días a la semana, o 29 durante 24 horas en caso de la población general), y que según los conocimientos actuales no parecen inducir daño apreciable ni durante la vida laboral, ni posteriormente, ni en siguientes generaciones. t. rel. limite permisible de e xposición, valor umbral limite (TLV). muestra. 1) Porción de material seleccionada de una cantidad mayor de forma que la fracción elegida sea representativa del todo. De ser posible, el todo debe ser homogeneizado, antes de la toma (ver. esp.). 2) En estadística: grupo de individuos tomados al azar de una población, a efectos de investigación. 3) Uno o más ejemplares tomados de una población o de un proceso con la intención de obtener información de los mismos. t. rel. muestra al azar, muestra aleatoria, muestra estratificada, muestra sistemática. mutagénesis. Introducción de cambios heredables (mutaciones) del genotipo en una célula como consecuencia de alteración o de pérdida de genes o de cromosomas (o de parte de ellos). Nagel et al., 1991. nivel sin efecto observable (NOEL, en inglés). La mayor concentración o cantidad de una sustancia, hallada experimentalmente o por observación, que no causa alteraciones en la morfología, capacidad funcional, crecimiento, desarrollo o duración de la vida de los organismos diana, distinguibles de los observados en organismos normales (control) de la misma especie y cepa, bajo condiciones idénticas a las de exposición. t. rel. efecto adverso. peligro. Posibilidad de que un agente produzca efectos dañinos, a causa de sus propiedades específicas y de las circunstancias y grado de la exposición. En otras palabras, un agente peligroso es una fuente de daño. t. rel. riesgo. (ver. esp.) plasma. 1) Componente fluido de la sangre en el que están en suspensión las células sanguíneas. sin. plasma sanguíneo. 2) Componente fluido del semen producido por las glándulas anejas, las vesículas seminales, la próstata y las glándulas bulbo uretales. sin. plasma seminal, liquido seminal. 3) Sustancia celular externa al núcleo. sin. citoplasma. 4) Gas altamente ionizado. población. 1) En estadística, la totalidad de unidades consideradas. Una parte definida de una pobla- 02 toxicologia alim 30 24/11/08 11:27 Página 30 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL ción se denomina subpoblación. En el caso de una variable aleatoria, se considera que la distribución de probabilidades define la población de esa variable. El término segmento de población se utiliza a veces como sinónimo de población. OMS, 1989a. 2) En ecología: conjunto de individuos de la misma especie que viven en la misma área geográfica. población en riesgo. Grupo de personas que pueden desarrollar un efecto adverso y que están potencialmente expuestas a un factor de riesgo determinado. Aquellas personas que ya han desarrollado la enfermedad se excluyen en los estudios de incidencia. polimorfismo. 1) En Química, existencia de una sustancia en más de una forma cristalina de agregación atómica o molecular. sin. p. alotropia. 2) Existencia de dos o más individuos fenotípicamente diferentes respecto a un mismo carácter, dentro de la misma especie. 3) Referido al metabolismo: variaciones interindividuales del metabolismo de sustancias endógenas o de xenobióticos debido a distinta constitución genética, lo que produce un incremento de efectos secundarios o tóxicos, o efectos clínicos diferentes. polimorfismo g enético. Situación en la que un carácter genético aparece en más de una forma en una población, lo que produce la coexistencia de más de un tipo morfológíco. presión par cial de un gas (en una mezcla de gases). Es el producto de la presión del medio considerado (atmosférico, alveolar, confinado, etc.) por su tanto por uno en el conjunto. Así, el oxígeno en el aire, a la presión de una atmósfera, está a una concentración del 20,98%, luego su pO2 es igual a 0,21 x 760 = 159,6 mm de Hg (mr). proteoma. (proteínas/genoma). Conjunto de proteínas procedentes de un genoma (ps). proteómica. Análisis global cualitativo y cuantitativo de las proteínas de una muestra, sea un organismo, una célula, etc. proteosoma. Es una gran proteasa con multisubunidades, con dos formas principales: 20S y 26S; se encuentran en el citosol, tanto libres como unidas al RE, y en el núcleo. Realiza una actividad multicatalítica; reconoce, despliega y digiere sustratos proteicos previamente «marcados», por ejemplo cuando están oxidadas y parcialmente desplegadas. receptor. Biomolécula diferenciada o sitio de unión con afinidad por un determinado tóxico, de cuya unión se derivará un efecto. m. gral. diana, órgano diana. (ver. esp.) recombinación. Proceso en que se produce intercambio de material genético entre dos ADN diferentes y se origina un nuevo ADN (nuevo genotipo). recombinante. Individuo o célula cuyo genotipo se ha generado por recombinación. (ver. esp.) riesgo. Probabilidad de que se produzcan efectos adversos o daños por exposición a un agente tóxico, a causa de las propiedades inherentes del mismo y a las circunstancias o grados de la exposición. t. rel. peligro. (ver. esp.) riesgo adicional. Probabilidad de que por causas espontáneas o por agentes diversos se incremente el riesgo consecuente a la exposición a un agente determinado. riesgo admisible. Probabilidad de sufrir una enfermedad o daño que se considera despreciable por ser suficientemente pequeña. sin. p. riesgo tolerable, t. rel. riesgo despreciable. seguridad. Inversa del riesgo; práctica certeza de que, en condiciones definidas, no se derivará daño de un peligro. 1) En farmacología: garantía de que puede utilizarse una sustancia, en la cantidad necesaria y para un determinado propósito, con mínimo riesgo para la salud. 2) En toxicología: elevada probabilidad de que la exposición a una sustancia, en condiciones definidas de cantidad y forma, que minimicen la exposición, no producirá daño. t. real. certidumbre práctica, riesgo. seguridad química. Garantía práctica de que los organismos no están expuestos a cantidades tóxicas de sustancias químicas; esto implica conseguir un riesgo aceptablemente bajo de exposición a sustancias potencialmente tóxicas. Duffus, 1986. significación, grado de (p). En un estudio comparativo, valora la verosimilitud de una hipótesis res- 02 toxicologia alim 24/11/08 11:27 Página 31 CONCEPTOS Y DEFINICIONES: TOXICOLOGÍA. TOXICIDAD pecto a los datos empíricos. Por convenio se considera significativo (que discrepa de la hipótesis) todo desvío con un grado de significación p < 0,05, lo que lleva a rechazar la hipótesis. signo. Evidencia objetiva de una afección o enfermedad, perceptible por un observador (hipertensión, sibilancias, ECG). Es el síntoma objetivado por el médico (ver. esp.). síndrome. Conjunto de signos y síntomas que caracterizan a una determinada enfermedad. síntoma. Evidencia subjetiva de una afección o enfermedad, percibida por el propio sujeto que la sufre (por ejemplo, náuseas, dolor, jaqueca). t. rel. signo. sistémico. Relativo al cuerpo entero como una unidad. techo, valor limite umbral (TLV-C). Concentración que no se debe sobrepasar en ningún momento durante la exposición en el trabajo. ACGIH, 1993. tetánico. 1) Relativo al bacilo del tétano (ver. esp.). 2) Espasmos tónicos musculares. toxicidad. Capacidad para producir daño a un organismo vivo, en relación con la cantidad o dosis de sustancia administrada o absorbida, la vía de administración y su distribución en el tiempo (dosis única o repetidas), tipo y gravedad del daño, tiempo necesario para producir éste, la naturaleza del organismo afectado y otras condiciones intervinientes. toxicidad aguda. Capacidad de una sustancia para producir efectos adversos dentro de un corto plazo de tiempo (usualmente 24 horas, pero se admite hasta 14 días) después de la administración de una dosis única (o una exposición dada) o tras dosis o exposiciones múltiples en 24 h. t. rel. efecto agudo. ant. toxicidad crónica. toxicidad crónica. Capacidad de una sustancia para producir efectos adversos consecuentes a una exposición prolongada; éstos pueden aparecer durante o después de interrumpida la exposición. t. rel. ensayo de toxicidad crónica. ant. toxicidad aguda. IRIS, 1986. toxicidad subcrónica. 1. Efectos adversos ocasionados por administración o exposición repetida de 31 una sustancia durante un corto periodo de tiempo, usualmente el 10 por 100 de la vida (al menos 90 días en animales). 2. Capacidad para producir efectos adversos tras exposición subcrónica. t. rel. ensayos de toxicidad subcrónica. tóxico. Sustancia o agente físico que, actuando en muy pequeña cantidad, es capaz de producir efectos adversos sobre los organismos vivos (ver esp.). toxicometría. Conjunto de determinaciones cuantitativas de parámetros biológicos afectados por los tóxicos (ver. esp.). toxicogenética. Estudia la variabilidad individual en la respuesta a los tóxicos (diferencias enzimáticas, proteínas transportadoras y de interacción con receptores) por causas genéticas o hereditarias considerando determinados genes discretos (polimorfismos). (ps) toxicogenómica. Estudia el comportamiento del genoma completo, incluyendo los cambios de expresión de los genes, ante la acción de los tóxicos. (ps). toxicología. Ciencia que estudia las sustancias químicas y los fenómenos físicos en cuanto son capaces de producir alteraciones patológicas a los seres vivos, a la vez que estudia los mecanismos de producción de tales alteraciones y los medios para contrarrestarlas, así como los procedimientos para detectar, identificar y determinar tales agentes y valorar y prevenir el riesgo que representan (mr.). toxicovigilancia. Proceso activo de identificación, investigación y evaluación de efectos tóxicos que aparezcan sobre la población, con el objetivo de tomar medidas para reducir o controlar la exposición a las sustancias que los produzcan. toxificación. Conversión metabólica de una sustancia en otra más tóxica. ant. destoxicación. toxina. Sustancia venenosa de origen biológico, producida por un organismo inferior o superior del reino animal o vegetal. El término inglés toxin no es traducible por toxina sino por tóxico, de significado más amplio. m. gral. tóxico, veneno. transcripción. Proceso por el que la información genética, codificada en una secuencia lineal de nucleótidos, en una rama de ADN, se copia en una 02 toxicologia alim 32 24/11/08 11:27 Página 32 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL secuencia exactamente complementaria de ARN. t. rel. transcripción reversa, retrotranscripción. dedura o picadura. 2) Tóxico usado intencionadamente. sin. p. toxina, tóxico. tumor. 1) Inflamación (bulto) o crecimiento anormal de un tejido, ya sea benigno o maligno. 2) Crecimiento anormal, en velocidad y estructura a partir del tejido normal, sin utilidad fisiológica. sin. neosplasia. vida media, tiempo medio (t1/2). Tiempo en el cual la concentración de una sustancia se reduce a la mitad, asumiendo un proceso de eliminación de primer orden. unidad de riesgo de cáncer (URC). Representa el incremento de riesgo frente a la absorción de una dosis fija de 1 µg/Kg ó 1 µg/L de tóxico en el alimento durante toda la vida. Kolluru, 1998. t. rel. factor de pendiente de cáncer. Valor Umbral Limite (TL V, Threshold limit value). Se refiere a niveles permisibles de agentes químicos o fisicos en el ambiente laboral, propuestos por la American Conference of Governmental Industrial Hygienists, ACGIH, EE UU. 1993. Actualmente incluye tres tipos de umbrales o valores límites ambientales: a) VLA-ED (TLV-TWA): Valores de Exposición Diaria o media ponderada en el tiempo. Concentración media a que puede estar expuesto un trabajador durante 8 horas diarias o 40 horas a la semana, sin sufrir efectos adversos. b) TLV-C: Valor techo (ceiling). Concentración ambiental que no debe ser sobrepasada en ningún momento. c) VLA-EC (TLV-STEL): Límite de Exposición de Corta Duración. Valores límites para cortos periodos de tiempo (15 minutos), sin que exceda el TWA diario, y sin que se repita más de cuatro veces al día ni con menor intervalo de una hora. valores guía. Valores cuantitativos (en concentración o en número) de un constituyente ambiental o biológico, cuya no superación asegura una agradable calidad del aire, agua o alimentos y de los que no se deriva un riesgo significativo para el usuario. vasculitis. Inflamación de las paredes de los vasos sanguíneos; puede ser causada por infección, patología inmunitaria, agentes físicos (radiaciones, traumatismos) o agente químicos (tóxicos). (mr). veneno. 1) Toxina animal utilizada para autodefensa o depredación y liberada normalmente por mor- xenobiótico. En sentido estricto, cualquier sustancia que interactúa con un organismo y que no es uno de sus componentes naturales. sin. sustancia exógena, sustancia extraña. INTERÉS TOXICOLÓGICO DEL FACTOR TIEMPO El tiempo es un parámetro al que años atrás no se daba la consideración que merece en Toxicología, pero al que hoy se le reconoce una importancia capital. Posiblemente el cambio tuvo lugar durante los estudios de la toxicidad del paraquat, al observarse que los efectos, incluso los de dosis letales, no aparecían inmediatamente sino después de hasta catorce días; de ahí vino el concepto de tiempo de latencia, el que media desde la absorción del tóxico hasta la manifestación del efecto, concepto que aunque no era nuevo, nunca se había observado tan marcado. Por otra parte, se sabía que, en cualquier intoxicación, los efectos pueden permanecer más o menos tiempo (tiempo de evolución), durante el que se pueden producir lesiones o la muerte o, finalmente la recuperación del sujeto (Fig. 2.2). Además, como ya se ha visto, el tiempo, corto o largo, durante el que se produce la absorción de un tóxico clasifica a las intoxicaciones en agudas y crónicas. De acuerdo con la llamada regla de Habers (1924), el efecto de un tóxico es función de la concentración (c) del tóxico en el ambiente o en el medio interno, y del tiempo (t) de exposición o contacto: E = f (c × t). Desde que se absorbe un tóxico hasta que se manifiestan los efectos, puede transcurrir un plazo que se denomina tiempo de latencia, que, en cada caso, es función de la vía de administración, del individuo, de que necesite o no su transformación en un metabolito activo, etcétera, y, evidentemente, del tipo de efecto que utilicemos como signo, pues no debemos olvidar que cada xenobiótico puede 02 toxicologia alim 24/11/08 11:27 Página 33 CONCEPTOS Y DEFINICIONES: TOXICOLOGÍA. TOXICIDAD Figura 2.2. 33 Distintos tiempos en un proceso tóxico. desencadenar diferentes efectos. Cuando nos interesa registrar la producción de muerte, manejamos el llamado tiempo letal y tiempo letal medio (TL), promedio del transcurrido en los diferentes individuos, desde la aplicación del tóxico hasta su muerte; mayor exactitud posee el TL50, referido al 50 por 100 de los individuos experimentados. Otros plazos o tiempos de interés son los de aparición de efecto, de efecto máximo y de desaparición. En términos de contaminación ambiental, al considerar las concentraciones de los tóxicos en el medio (sea aire o agua), es preciso tener en cuenta, también, el tiempo de permanencia en el ambiente , porque la dosis recibida será función tanto de la concentración como del tiempo (tiempo de exposición). De las tablas de toxicidad aguda o de las de MAC, éstas de escasa toxicidad aguda, pueden extraerse conclusiones erróneas si se pretende aplicar los datos a toxicidad crónica, ya que en ocasiones una sustancia con alta DL o MAC puede resultar peligrosa a largo plazo y con dosis baja, por acumulación de tóxico o sus efectos, por sensibilización (por ejemplo, sensibilización del miocardio a los haluros de carbono), capacidad carcinogenética, etc. Para evaluar la contaminación ciudadana por sustancias no carcinógenas (pues los carcinógenos genotóxicos no tienen dosis mínima), se puede calcular la concentración máxima permisible en aire urbano (CMPU) en una exposición diaria de 24 horas, por la población general: TLV CMPU =  420 donde 420 es un factor de incertidumbre que pretende tener en cuenta el diverso estado fisiológico de los ciudadanos. CONCEPTO Y CLASIFICACIONES POR TOXICIDAD La toxicidad es una cualidad a la vez intrínseca y relativa de todas las sustancias que, como iremos viendo, depende de un conjunto de condiciones y circunstancias, como son los procesos de biotransformación (los que aumentan la toxicidad del compuesto y los que la disminuyen), así como los mecanismos de defensa del individuo, todo lo cual está determinado por las características genéticas de cada uno; también influyen otros factores internos y externos, como las circunstancias fisiológicas del individuo (a su vez muy influenciables) y la participación concominante de otros compuestos químicos. El manejo y consumo de éstos supone un riesgo que es función de: a) Las características f isicoquímicas de las sustancias. b) Su potencialidad tóxica (pT), o toxicidad intrínseca que está en razón inversa a las cantidades precisas para provocar daño a los seres vivos. c) La probabilidad de que sea absorbida por el hombre, y la frecuencia con que esto pueda ocurrir. De estos dos factores (probabilidad de exposición y frecuencia) depende, en definitiva, el riesgo, o probabilidad de que se produzca un efecto tóxico. Aunque incluso las sustancias que son constituyentes normales de nuestro organismo (como las hormonas o los neurotransmisores), cuando están en concentraciones superiores a las fisiológicas, pueden originar patologías, solemos referirnos a los tóxicos como xenobióticos o compuestos extraños, o que vienen de fuera de los seres vivos. 02 toxicologia alim 34 24/11/08 11:27 Página 34 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL La potencialidad tóxica de una sustancia es tanto mayor cuanto menor sea la dosis precisa para producir un efecto nocivo. Hasta hace poco se hablaba de dosis sin efecto pero la experiencia ha enseñado que es preciso ser prudentes y sólo admitir que hay dosis o niveles sin efecto observable (NISEO, en inglés NOEL), ya que muchas veces las consecuencias de una o repetidas exposiciones no se manifiestan exteriormente o sólo lo hacen después de cierto tiempo. Cuando un organismo recibe pequeñas dosis de una sustancia procura adaptarse a ella, bien incrementando su propia capacidad de biotransformación (metabolismo) y excreción o incluso elevando, dentro de unos márgenes, su umbral de sensibilidad para soportar el tóxico. En el caso de que la dosis supere estas capacidades fisiológicas de adaptación, aparecerán modificaciones en los parámetros biológicos. Para aludir a la toxicidad de las sustancias era clásico referirse a las dosis precisas para producir la muerte tras una sola absorción, es decir, para originar una intoxicación aguda letal. Esta dosis letal (DL) se calcula por experimentación con suficiente número de animales para obtener valores de significación estadística; así se calculan la DL mínima, que mata a un solo individuo, la DL-50, o media letal para el 50 por 100 de los ejemplares, la DL-100, que intoxica mortalmente a todos los individuos, y dosis intermedias como DL-25, DL-75, etc. Sin embargo, se ha visto que este parámetro es insuficiente para calificar la toxicidad de las susTabla 2.1. Rango de toxicidad 1 tancias, porque productos de escasa toxicidad aguda, con altas DL-50, resultan muy peligrosos cuando se absorben de forma crónica. Por ello la DL-50 ha quedado reducida a un mero valor de referencia, que debe determinarse para a partir de él investigar otros parámetros toxicométricos. En cuanto a los humanos, como obviamente no se debe experimentar con ellos, se recogen datos retrospectivos epidemiológicos de donde, con grandes posibilidades de error como apuntamos antes, se deducen las exposiciones o dosis mínimas que se sepan hayan producido efectos tóxicos o muertes, y unas hipotéticas dosis tóxicas o letales medias estimadas, que se simbolizan por DTEm y DLEm. Por otra parte, la correlación dosis-efecto presenta en los humanos mucha mayor dispersión que en la experimentación animal. Las razones de esta discordancia se encuentran básicamente en que los animales de experimentación se seleccionan entre razas puras de estabilidad muy controlada, criados en bioterios estandarizados, que aseguren la perfecta salud, y con alimentación homogénea, mientras que los humanos somos producto de múltiples cruces entre pueblos y razas, con grandes variaciones en los hábitos de vida en general y alimentarios en particular, lo cual, unido al empleo de medicamentos, tabaco, alcohol y otras drogas y plaguicidas, y al efecto de los contaminantes ambientales más relevantes de cada localidad, nos hace cada vez más diferentes desde el punto de vista bioquímico. Tradicionalmente se han venido clasificando las sustancias en varias categorías, de acuerdo con su Rangos de toxicidad* según vías de administración Denominación usual Vía oral Dosis única, rata DL50 Vía cutánea, dosis única, conejo DL50 Inhalación vapor 4 h. CL50, ratas ppm Posible dosis letal hombre Extremadamente tóxico < 1 mg/kg < 5 mg/kg 10 1 gota, 1 grano 2 Altamente tóxico 1-50 mg/kg 5-50 mg/kg 10-100 1 cucharilla (4 ml) 3 Moderadamente tóxico 50-500 mg/kg 50-350 mg/kg 100-1.000 30 g 4 Ligeramente tóxico 0,5-5 g/kg 0,35-3 g/kg 1.000-10.000 250 g 5 Prácticamente no tóxico 5-15 g/kg 3-25 g/kg 10.000-100.000 1 litro 6 Relativamente inocuo > 25 g/kg > 25 g/kg > 100.000 > 1 litro De: Deichman WB y Gerarde HW. Toxicology of drugs and chemicals. Nueva York: Academic Press, 1969. * Se refiere exclusivamente a toxicidad aguda. 02 toxicologia alim 24/11/08 11:27 Página 35 CONCEPTOS Y DEFINICIONES: TOXICOLOGÍA. TOXICIDAD toxicidad letal (DL50), normalmente por vía oral (Tablas 2.1 y 11.12). Pero estas clasificaciones no consideran el riesgo que supone la toxicidad por absorción crónica, que, como ya indicamos, presenta en la actualidad una gran importancia cuantitativa por su frecuencia. Además no deberíamos clasificar los productos atendiendo sólo a la dosis con que matan, sino que sería más lógico utilizar como indicadores otros efectos menos dramáticos y que permitieran una reversibilidad (véase Índices Biológicos de Exposición). En este sentido nos parece de gran interés la propuesta rusa de estimar unos coeficientes de acción tóxica aguda o crónica, que se definen como sigue: a) Coeficiente de acción tóxica a guda, obtenido como cociente entre la DL50 y la dosis umbral (DU) o más baja que, tras una absorción única, causa modificaciones en los indicadores biológicos, rebasando las capacidades fisiológicas de adaptación al tóxico. DL50 Coeficiente de acción tóxica aguda =  DU b) Coeficiente de acción tóxica crónica, cociente entre la citada dosis umbral para una sola exposición y la dosis umbral que causa efectos nocivos como consecuencia de una absorción crónica. Según el periodo de tiempo en que se produjera ésta (3, 6, 12 meses), tendríamos coeficientes de acción crónica o subcrónica. Coeficiente de acción tóxica crónica = DU (1 exposición) =  DU (exp. crónica) Conforme a estos coeficientes, las anteriores clasificaciones corresponderían a lo expuesto en la Tabla 2.2: Tabla 2.2. Coeficientes de acción tóxica Clase de sustancia Aguda Crónica 1. Sumamente tóxica < 6 > 10 2. Muy tóxica < 18 > 5 3. Moderadamente tóxica < 50 > 2,5 4. Ligeramente tóxica > 50 < 2,5 35 Efectos colaterales, secundarios e indeseables de los medicamentos En farmacología terapéutica se utiliza una serie de conceptos para aludir a efectos que producen los medicamentos y que no son buscados o pretendidos con el uso; frecuentemente se manejan como sinónimos tales conceptos, lo que origina gran confusión. Esta situación parece provenir de la traducción incorrecta del término inglés side-effects, cuyo significado literal es el de efectos colaterales, pero que por la mayor riqueza del idioma español se traduce a veces por otros vocablos de diferente significado. El hecho de que un fármaco no realice una única acción específica, sino que simultáneamente afecte a distintos receptores, hace que se produzca una suma de efectos colaterales; por ejemplo, además de la actividad anticolinérgica de la atropina, este fármaco produce sequedad de boca, retención urinaria, midriasis y taquicardia, como acciones colaterales. Por otra parte, un fármaco puede dar origen a otros efectos que derivan del primario o principal; son los efectos secundarios, como la disbacteriosis que sigue al empleo de los antibióticos, o la hipocaliemia consecuente al uso de diuréticos, o la retención hídrica debida a los corticoides (Tabla 2.3). A veces estos efectos colaterales y secundarios son aceptables, pero otras veces son molestos e incluso peligrosos, por lo que reciben el nombre de efectos adversos o indeseables, que además incluyen los debidos a idiosincrasia (o respuesta atípica por causa genética), alergia o hipersensibilidad adquirida, e intolerancia por cualquiera de ambas causas. Tabla 2.3. Causas de los efectos nocivos de los medicamentos POR CAUSAS GENERALES COMO: • Toxicidad intrínseca (citotóxicos) • Sobredosificación • Interacción POR CAUSAS PARTICULARES: Efectos adversos o indeseables • Secundarios (hipopotasemia por diuréticos) • Colaterales (taquicardia por anticolinérgicos) (side-effects) • Intolerancia — Idiosincrasia — Hipersensibilidad 02 toxicologia alim 36 24/11/08 11:27 Página 36 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Todo ello es concordante con las definiciones de la OMS y de la FDA norteamericana, para las acciones adversas o indeseables de los medicamentos. Según la OMS: «Es cualquier acción perjudicial, no buscada y que aparece a las dosis empleadas normalmente en el hombre para el tratamiento, profilaxis o diagnóstico.» Y según la FDA: «Es cualquier cambio patológico no buscado, con carácter orgánico, funcional o de laboratorio, que está relacionado con una sustancia utilizada en la profilaxis, diagnóstico o terapéutica de las enfermedades o para la modificación de estados fisiológicos.» En consecuencia, ni la intoxicación producida por la absorción excesiva (sobredosificación) de un medicamento ni la interacción medicamentosa entran en estas definiciones y no pueden considerarse como reacciones adversas propiamente dichas. Según el Ministerio de Sanidad español (2003) un 10% de los ingresos hospitalarios se debe a una utilización indebida de los medicamentos, generalmente, por automedicación; por otra parte, un informe oficial de EE UU (1999) reveló que allí mueren al año unas 7.000 personas por prescripción errónea de los medicamentos y muchas veces a causa de la mala letra de los médicos. RELACIONES DOSIS-EFECTO Y DOSIS RESPUESTA Efecto es la manifestación de la acción de un fármaco que modifica algún mecanismo bioquímico o Figura 2.3. Representación ideal de la relación dosis-efecto. función fisiológica. Este cambio debido a la interacción a nivel molecular entre el xenobiótico y constituyentes biológicos puede no ser evidente (efecto subclínico) o manifiesto (efecto clínico), que incluso a veces puede medirse de forma objetiva. Normalmente se utilizan como sinónimos los términos efectos y respuesta, pero actualmente se pretende reservar este último para designar el porcentaje de población en que se manifiesta un efecto. El efecto va indefectiblemente ligado a dos variables: dosis y tiempo, aunque con frecuencia se considera sólo el binomio dosis-efecto. Esta relación puede ser de dos tipos: a) Cuántica. Responde a la ley del todo o nada; ante una dosis el individuo presenta el máximo efecto posible o no experimenta nada. b) Gradual. El efecto es función de la dosis; la representación gráfica de esta relación se aproxima (porque generalmente es una nube de puntos) a una hipérbola (Fig. 2.3) que muestra cómo al aumentar la dosis se incrementa el efecto, hasta llegar a una dosis (Dm) en que se alcanza un efecto máximo, y la curva se hace asintótica. En ocasiones la correlación fluctúa y gráficamente es una sigmoide (Fig. 2.4). Cuando se representa el efecto frente al logaritmo de la dosis se obtiene una recta (Fig. 2.5). A veces, en lugar de considerar el efecto se maneja el valor del porcentaje de éste sobre el efecto máximo (E/Em × 100). Para calcular la relación dosis-efecto conviene recoger datos de muchos individuos (de cuantos más mejor), y, como ocurre que para una misma Figura 2.4. Algunas relaciones dosis-efecto presentan forma sigmoidea. 02 toxicologia alim 24/11/08 11:27 Página 37 CONCEPTOS Y DEFINICIONES: TOXICOLOGÍA. TOXICIDAD Figura 2.5. Representación semilogarítmica de la curva dosis-efecto. dosis, en una población dada, no todos los individuos experimentan idéntico efecto, denominamos respuesta a la proporción (%) de esa población que manifiesta el efecto requerido. De aquí podemos obtener las curvas dosis-respuesta, que cumplen la llamada «ley biológica de distribución al azar». Como en una población hay siempre elementos más sensibles y otros más resistentes, al representar el número de individuos que muestran el mismo efecto frente a una misma dosis, se tiene una curva de Gauss (Fig. 2.6), simétrica o no. Figura 2.6. Curva dosis-respuesta (frecuencia de individuos). Figura 2.7. 37 Respuesta acumulada. Dado que a una cierta dosis el número de individuos afectados es igual a la suma o acumulación de todos aquellos que se afectan por dosis menores a la administrada, podemos obtener también la curva de frecuencias o de respuestas acumuladas, que es una línea sigmoide (Fig. 2.7), transformable en recta (Fig. 2.8), en representación semilogarítmica (respuesta frente a logaritmo de la dosis). De todas estas curvas se puede extrapolar la respuesta que producirá una dosis. Esto puede hacerse por varios procedimientos; el modelo del impacto Figura 2.8. Representación semilogarítmica de la respuesta acumulada. 02 toxicologia alim 38 24/11/08 11:27 Página 38 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL singular (una dosis = un efecto) supone una relación lineal, y significa que los individuos que sobreviven a una dosis dada resistirán una dosis menor. El modelo de relación lineal nos permite calcular gráficamente la DL50. En ordenadas se representa el número de animales utilizados en la experiencia y en abscisas las unidades de dosis (que pueden escogerse como 2, 4, 8, 16 y 32), a condición de que estén en proporciones geométricas, cuyos logaritmos aumentan uniformemente (0,30103, 0,60206, 0,90309, 1,20412, 1,50515). Al señalar el número de animales que mueren o que sobreviven con cada dosis tendremos dos líneas cuya intersección corresponde a la DL50 (Fig. 2.9). Las representaciones semilogarítmicas de las curvas dosis-efecto y dosis-respuesta nos permiten deducir la toxicidad de una sustancia a partir de la pendiente de la recta; cuanto más próxima a la vertical sea ésta, hay mayor incremento en la respuesta para un pequeño intervalo de dosis, por lo que la sustancia será más tóxica (A), siempre que se considere la misma vía de administración. De dos rectas paralelas, será más peligrosa la sustancia cuyo efecto se inicia a dosis inferiores (B) (Fig. 2.10). Otra forma de considerar la respuesta es estimando la probabilidad de que se produzca. Para ello se utilizan los probits, que son unidades de probabilidad, que se corresponden a las desviaciones (σ) con respecto a la media. A la dosis media (DL50) (σ = 0), hay el 50 por 100 de respuesta con valor de 5 probits (Fig. 2. 11). Para transformar porcentaje de respuestas en probits se pueden utilizar fórmulas matemáticas o tablas que se encuentran en libros de bioestadística, o representando la curva de dosis-respuestas en papel semilogarítmico probabilístico (Fig. 2.12). Figura 2.9. Cálculo gráfico de la DL50. Figura 2.10. A mayor pendiente, mayor toxicidad. Figura 2.11. Variaciones de la respuesta por desviaciones de la dosis. Figura 2.12. Expresión de la respuesta en probits. 02 toxicologia alim 24/11/08 11:27 Página 39 CONCEPTOS Y DEFINICIONES: TOXICOLOGÍA. TOXICIDAD Figura 2.13. Zonas de relación dosis-efecto. De conformidad con el ya destacado carácter relativo de la toxicidad, al representar gráficamente la relación dosis-efecto de un medicamento, encontramos las siguientes áreas de correspondencia (Fig. 2.13): A. Sin efecto aparente favorable o desfavorable. B. Zona de aplicación terapéutica. C. Efectos tóxicos transitorios o reversibles. D. Efectos tóxicos irreversibles. Hormetinas Luckey y Venugopal (1977) denominaron hormetinas a todas aquellas sustancias que absorbidas a pequeñas dosis ejercen un efecto beneficioso para los procesos fisiológicos, pero que a dosis más altas o cuando dosis bajas repetidas originan concentraciones tisulares elevadas, dan lugar a efectos tóxicos. Como hormetinas pueden actuar el 50 por 100 de las sustancias tóxicas con efectos que, según la 39 dosis o las concentraciones tisulares, pueden variar según se representa en la Figura 2.14. En zona I, de carencia, y zona II, de insuficiencia, mejora la salud con la dosis, pero los niveles son insuficientes para una función fisiológica normal. La zona III es la de acción hormética de función fisiológica óptima. En la zona IV aparecen efectos nocivos y en la V fenómenos tóxicos que evolucionan según una representación sigmoidea (Fig. 2.14). Estos conceptos, representados en amplias curvas en forma de U o de U invertida, de carácter bimodal o incluso multifásico han sido desarrollados posteriormente por Calabrese y colaboradores (Calabrese y Baldwin, 2001 y 2003), poniendo de manifiesto cómo algunas sustancias que, a pequeñas dosis, actúan como débiles antitumorales, cuando se administran a mayores dosis, por encima de la línea en el origen, son tumorígenas; y a la inversa, con la curva de la U invertida, sustancias que inhiben el crecimiento, a bajas dosis pueden estimularlo, como habíamos descrito nosotros (Repetto y Sanz, 1978, véase Capítulo 11). Concepto de pT Este concepto de potencial de toxicidad ha sido propuesto por Luckey y Venugopal, en un intento de disponder de un parámetro que evalúe la toxicidad de las sustancias de una forma más exacta que las conocidas. La p en pT representa el potencial o toxicidad inherente de una sustancia, expresada para determinadas condiciones, vías de administración y especie; esta p trata de ser el principio de incer- Figura 2.14. Comportamiento de las hormetinas. 02 toxicologia alim 40 24/11/08 11:27 Página 40 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Tabla 2.4. Tóxico Botulínica D Botulínica A Botulínica B Botulínica E Tétanos Shigella Palitoxina Perfringens Perfringens CO Pestis Estreptocócica Estafilocócica Saxitoxina Tetrodotoxina Amanitina Actinomicina D Estricnina Rotenona HgCl2 Paratión Adrenalina NaH2AsO4 TICI HCN BeCl2 Na fluoracetato Benedryl Codeína Morfina Estreptomicina Cafeína Tetraciclina HCl BaCl2 Aspirina NaF Pu citrato Pantoténico (ác) CdCl2 Nicotínico (ác) CCl4 NaCl Dosis letal 50, Intraperitoneal en el ratón, clasificadas por pT Peso molecular 1.000.000,0 900.000,0 165.000,0 350.000,0 66.000,0 82.000,0 3.300,0 40.500,0 74.000,0 120.000,0 80.000,0 21.000,0 372,0 319,3 916,0 1.256,0 334,4 394,5 271,5 291,3 183,3 163,9 239,8 27,0 79,9 100,1 255,4 299,4 285,4 581,6 194,2 480,9 208,3 180,2 42,0 435,1 219,2 183,3 123,1 153,8 58,4 mg/kg mol/kg Toxicidad pT 3,2 × 10–7 1,14 × 10–6 8,08 × 10–7 5,68 × 10–6 1,67 × 10–6 1,35 × 10–3 1,5 × 10–4 3,2 × 10–3 8,1 × 10–3 4,0 × 10–2 1,0 × 10–1 4,0 × 10–2 3,4 × 10–3 1,0 × 10–2 0,30 0,70 0,98 2,80 5,00 5,50 4,00 9,00 24,00 3,00 12,00 18,00 84,00 130,00 285,00 610,00 250,00 650,00 500,00 495,00 125,00 1.750,00 900,00 1.350,00 1.860,00 4.620,00 2.600,00 3,20 × 10–16 1,27 × 10–15 4,90 × 10–15 1,62 × 10–14 2,53 × 10–14 1,65 × 10–11 4,55 × 10–11 7,90 × 10–11 1,09 × 10–10 3,33 × 10–10 1,25 × 10–9 1,90 × 10–9 9,14 × 10–9 3,13 × 10–8 3,28 × 10–7 5,58 × 10–7 2,93 × 10–6 7,10 × 10–6 1,84 × 10–5 1,89 × 10–5 2,18 × 10–5 5,49 × 10–5 1,00 × 10–4 1,11 × 10–4 1,50 × 10–4 1,80 × 10–4 3,29 × 10–4 4,34 × 10–4 9,99 × 14–4 1,05 × 10–3 1,29 × 10–3 1,35 × 10–3 2,40 × 10–3 2,75 × 10–3 2,98 × 10–3 4,02 × 10–3 4,11 × 10–3 7,36 × 10–3 1,51 × 10–2 3,00 × 10–2 4,45 × 10–2 15,49 14,90 14,31 13,79 13,60 10,78 10,34 10,10 9,96 9,48 8,90 8,72 8,04 7,50 6,48 6,25 5,53 5,15 4,74 4,74 4,66 4,26 4,00 3,95 3,82 3,74 3,48 3,36 3,00 2,98 2,89 2,87 2,62 2,56 2,53 2,40 2,39 2,13 1,82 1,52 1,35 Según Luckey y Venugopal, 1977. J Tox & Env Health 2: 633. Nota.– Obsérvese que las primeras 18 sustancias de las relacionadas son de procedencia biológica, lo que demuestra la falacia de identificar «lo natural» con «lo sano». 02 toxicologia alim 24/11/08 11:27 Página 41 CONCEPTOS Y DEFINICIONES: TOXICOLOGÍA. TOXICIDAD Tabla 2.5. 41 Comparación de la DL50, IP, en la rata, de Be y TI Toxicidad expresada como Compuesto BeCl2 Compuesto mg/kg Factor 4,4 Metal mg/kg 0,5 1/1,6 TICl4 6,9 Be acetato 317 29,6 Metal mol/kg 4,5 Factor 4,26 0,75 5,66 2,49 1 tidumbre en biología, y pT resulta un concepto, en cierto modo, similar al de pH. Por definición, pT es la inversa (el negativo) del logaritmo de base 10 de la dosis de una sustancia (expresada en mol/kg), que produce un determinado efecto. Es decir, pT = –log T, donde T es la dosis molar, de forma que pT puede calcularse fácilmente a partir de la dosis en mg/kg, cuando se conoce el peso molecular (Tabla 2.4). Para evaluar la relación dosis-efecto se utiliza el logaritmo, ya que se sabe bien que el efecto de un fármaco es más proporcional al log de la dosis que a su expresión algebraica. El concepto de pT es aplicable a cualquier tipo de efecto, desde un efecto determinado (miosis, salivación, mutagénesis, etc.) a muerte, indicándola como pT25, pT50, etc. Esta concepción de tipo molecular puede ayudar a explicar y cuantificar mecanismos de toxicidad y la toxicidad propia de la sustancia, puesto que existe una relación directa entre el número de átomos o iones que se hallen presentes y su efecto farmacodinámico. En la Tabla 2.5, Luckey y Venugopal justifican la lógica de su teoría. Al comparar la toxicidad como DL50 por vía intraperitoneal (IP), en ratas, de los cloruros de berilio y talio, se observa que el primero es casi 1,6 veces más tóxico que el segundo. Pero, si calculamos en estas sales el contenido del catión, deduciremos que la DL en mg/kg del metal berilio es 10 veces superior a la del talio. Por otra parte, comparando la toxicidad de los acetatos de ambos metales, el acetato de berilio resulta 10 veces menor que el de talio, pero, calculando sus respectivas proporciones de catión, las toxicidades de ambos metales aparecerán pT 1/2,5 0,022 22,4 23,0 Factor 0,056 10 10 TI acetato Factor 2,6 1/22 0,113 0,66 3,94 similares, lo cual es ilógico y se contradice con lo anteriormente calculado. Sin embargo, si expresamos las respectivas dosis letales en moles por kilogramo, de la comparación entre los cloruros resulta que el talio es 2,5 veces más tóxico que el berilio, en tanto que, comparando las DL de los metales en los acetatos, el talio sería 22 veces más tóxico que el berilio. Y si ahora calculamos los respectivos pT encontraremos que no existen ya tantas diferencias numéricas, y se mantiene el orden de toxicidad. Una sustancia que posea un pT de 0, indicando que la dosis letal es de 1 mol/kg, puede ser estimada como de muy escasa toxicidad. Al ver un pT del orden de 1, de 2 o de 3, podemos deducir rápidamente que las DL50 molares se hallarán por los niveles de 0,1, 0,01, 0,001 mol/ kg; y si el pT de un compuesto es 1, 2 ó 3 veces mayor que el de otros, se deberá a que es 10, 100 ó 1.000 veces más tóxico que éstos. TOXICIDAD DE LAS SUSTANCIAS QUÍMICAS Sabemos que se denomina tóxico a toda sustancia que, en pequeñas dosis, es capaz de producir daños a los organismos vivos y, ya hemos visto, aunque nunca se insistirá bastante, que la toxicidad de las sustancias es una cualidad relativa, que depende, por una parte, de la dosis que se absorba, y por otra, de que el sujeto pertenezca al reino animal o al vegetal, de su especie, sexo, edad, circunstancias fisiológicas y ambientales, etc., como se tratará más adelante. 02 toxicologia alim 42 24/11/08 11:27 Página 42 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Figura 2.15. Valores pT en el sistema periódico, referidos a las sales con el mayor grado de valencia. Por ello, nunca puede calificarse a una sustancia como inocua o no tóxica, ya que cualquiera de ellas, aun las imprescindibles para la vida, como el agua, el oxígeno, la glucosa, etc., a grandes cantidades o en determinadas circunstancias, puede resultar nociva. Además, nunca se puede estar seguro de que una sustancia no sea capaz de producir daño, solamente basados en que nadie lo haya constatado. Algunas sustancias en dosis muy pequeñas, pero recibidas repetidamente, pueden provocar, con más probabilidad en unos individuos que en otros, una alteración del sistema inmunitario (agentes inmunoactivos o inmunotóxicos) o bien cáncer; hay muy pocos compuestos químicos que sean capaces de inducir cáncer tras pequeño número de dosis, por muy grandes que sean éstas, pues, en general, se requieren exposiciones repetidas durante años con dosis muy bajas, para que se desarrollen las neoplasias. Hay carcinógenos que actúan reaccionando directamente sobre los constituyentes genéticos, por lo que se denominan genotóxicos, de los que no se conoce que posean una «dosis segura» por muy pequeña que sea; otros carcinógenos activan otros mecanismos, generalmente de tipo hormonal, que sólo indirectamente afectan a las bases genéticas, y por ello reciben el nombre de epigenéticos o mitogénicos por actuar activando la mitosis o división celular. Por otra parte, algunos tóxicos no penetran en el cuerpo sino que hacen su efecto dañino solamente en el lugar en que contactan con el organismo; son los tóxicos por contacto o de acción local, como los irritantes y cáusticos y corrosivos y algunos tipos de carcinógenos. Otras sustancias han de pasar a la sangre y ser distribuidas por el interior del organismo gracias a lo que se denomina vía sistémica, para llegar a los lugares u órganos donde preferentemente ejercen sus acciones; son los tóxicos sistémicos. Véase la Tabla 2.6, donde se resumen, para una visión de conjunto, todos estos conceptos, que serán desarrollados a lo largo de este libro. Con la intención de aumentar la protección de la salud y del medio ambiente, a través de un mejor conocimiento de la toxicidad de las sustancias y mediante la sustitución de las más peligrosas por otras más seguras, la UE dispone, desde el día 1 de enero de 2007, de la llamada Regulación REACH (registro, evaluación, autorización y restricción de las sustancias químicas), que simplifica y reúne en una sola cuarenta normativas europeas sobre la materia, y para cuyo cumplimiento ha creado la Agencia Europea de Sustancias químicas (ECHA), con sede en Helsinki (véase Cap. 11; puede consultarse http://ec.europa.eu/enterprise/reach y http://ec.europa.eu/echa/home). 02 toxicologia alim 24/11/08 11:27 Página 43 CONCEPTOS Y DEFINICIONES: TOXICOLOGÍA. TOXICIDAD Tabla 2.6. Clase 43 Clasificación de las sustancias según su nocividad sobre los seres vivos Modalidad Acción Observaciones Inocua Dependiendo de la dosis, especie, individuo, etc. A grandes dosis no lo es ninguna sustancia. Inmunoactiva Tras absorción reiterada de dosis muy bajas. Alergizante Inmunosupresora Autoinmunizante Sensibilizante Depresora Lesiva contra uno mismo Tóxica local Irritante Cáustica/Corrosiva Inflamación localizada Lesión (ulceración) localizada Tóxica sistémica Organoespecífica Diversa Genotóxica Epigenética Tox. sobre la Reproducción Se afecta preferentemente un órgano y, secundariamente, otros. Lesivas a dosis muy bajas reiteradas; carecen de «dosis de segura o cero». Directa sobre ADN y ARN Mutágena Transmisible a la descendencia (heredable). Carcinógena Pérdida de control de la reproducción celular. Carcinógena Estimulación de la mitosis (mitogénica) Malformación u otros efectos en hijo TOXICIDAD DE LAS SUSTANCIAS NATURALES Frecuentemente la publicidad de ciertos medicamentos, cosméticos, alimentos, etc., los presenta como productos absolutamente seguros alegando que por ser productos naturales son de máxima salubridad y absolutamente seguros. Esta rotunda afirmación no deja de ser una falacia porque «natural» no es sinónimo de «sano»; en la naturaleza existen numerosas sustancias, no sólo inorgánicas como compuestos arsenicales, de plomo, de radio, etc., sino también biológicos, producidos por los seres vivos (bacterias, microhongos y hongos, plantas superiores, insectos, reptiles, etc.), que poseen toxinas bacterianas, micotoxinas, alcaloides, glucósidos y muy diversas biotoxinas, sintetizados como productos metabólicos o como sustancias defensivas contra los depredadores. Simples ejemplos serían las aflatoxinas, las toxinas de las setas, la rotenona (presente en la raíz de la planta Requieren dosis determinada; tienen «dosis segura». Requieren determinadas dosis y ser absorbidas en ciertos periodos de la gestación. Derris elliptica, cuyo extracto se utilizó en pueblos primitivos para la pesca y actualmente como insecticida) y cuyo efecto lesivo sobre el sistema nervioso central puede verse en el Capítulo 7, etc. Si se observa la anterior Tabla 2.4, donde se relacionan 41 sustancias en orden decreciente de toxicidad, se ve cómo las 18 primeras, que son las más tóxicas, son todas ellas de origen biológico, ninguna es artificial. AGENTES FÍSICOS Ordinariamente, se consideran sólo a las sustancias químicas como agentes tóxicos olvidando la lesividad propia de los agentes físicos, lo cual es un error. En otro lugar de este libro (Capítulo 8) se comenta la influencia de la temperatura, la luz, la presión atmosférica y el ruido, así como del conjunto de los factores cósmicos (ritmos circadianos) y fenomenológicos (manchas solares, terremotos, frentes de tormentas, etc.) sobre la toxicidad de las 02 toxicologia alim 44 24/11/08 11:27 Página 44 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL sustancias en los individuos expuestos, y en el Capítulo 7 estudiaremos las patologías originadas por la luz y el rango ultravioleta (UV). Pero deben tenerse presentes las acciones nocivas que directamente causan agentes como las radiaciones y la energía electromagnética, a pesar de que sobre ellas sólo se dispone de conocimiento incompleto y con grandes lagunas. Desde finales del siglo XIX se sabe que estamos expuestos a un conjunto complejo de campos eléctricos y magnéticos, y aunque estas acciones han causado cierta preocupación, reciben mayor atención desde hace unos treinta años. Sus efectos sobre los sistemas vivos es innegable, porque son magnéticas o eléctricas las fuerzas que atraen o mantienen unidos a los átomos para formar moléculas, las señales intracelulares, la transmisión nerviosa, etc., que pueden ser afectadas por campos eléctricos o magnéticos y la formación de corrientes inducidas. En numerosos empleados de empresas instaladas en modernos edificios cerrados, incluso en hospitales, se ha detectado un trastorno morfológico reversible que ha sido denominado lipoatrofia semicircular, consistente fundamentalmente en pérdida de tejido graso, especialmente en las piernas, y que se achaca a coincidencia de alta concentración de electricidad estática o campos electromagnéticos, baja humedad relativa y uso de mobiliario metálico que produzcan microtraumatismos repetidos en la zona corporal. Histológicamente solo se aprecia pérdida de tejido graso subcutáneo en los muslos (generalmente en el derecho), a veces en las caderas o el abdomen, sin alteraciones musculares ni sustitución por tejido fibroso; puede acompañarse de cefalea, irritabilidad, sequedad en garganta y tos, prurito cutáneo, etc. Fue descrito en Bélgica, en 1974, como síndrome de Gschwandtner y Münzberger, y en España en Barcelona (Nogué et al., 2007). Las ondas electromagnéticas son paquetes de energía o fotones, y según su frecuencia y energía o intensidad (campos magnéticos o eléctricos de baja o alta frecuencia) se dividen en radiaciones ionizantes y radiaciones no-ionizantes y son provenientes tanto de fuentes naturales como artificiales; algunos núcleos atómicos emiten no sólo radiaciones electromagnéticas sino también partículas cargadas de energía (alfa, beta y neutrones) que se conocen como radiactivas (Figura 2.16). Conviene recordar que las radiaciones ionizantes, emitidas por elementos inestables o isótopos, son: las partículas alfa (α), con carga positiva (son núcleos de helio y poseen dos protones y dos neutrones), con poca capacidad de penetración pero alta de ionización; las partículas beta (β) cuya carga puede ser positiva (por poseer dos positrones) o negativas (dos electrones) son más penetrantes pero menos ionizantes que las α; y las radiaciones gamma (γ), las más penetrantes. En relación con las radiaciones, suelen distinguirse los términos contaminación y exposición; con el primero se entiende el depósito superficial o la absorción de isótopos, y por el segundo la penetración de rayos gamma o X o las partículas beta. La afectación humana y del medio ambiente por las radiaciones ionizantes puede deberse a dispersión de productos radiactivos de laboratorio o radiológicos de diagnóstico clínico, o bien a accidentes durante el transporte de material radiactivo; más graves son las consecuencias de accidentes en reactores nucleares, bombas «sucias» y armas radiactivas y nucleares. Los efectos nocivos derivan de la producción brusca de calor y consecuentes estallidos que generan quemaduras, lesiones y traumatismos, y los más específicos al efectuar la radiolisis del agua con producción de especies reactivas de oxígeno (véanse capítulos 6 y 16) que lesionan los componentes químicos y estructuras celulares y del ADN. En el apartado de Armas Químicas, Físicas y Biológicas se citan también el láser, la granada acústico-luminosa, la bomba termobárica, etc. Sobre las radiaciones ionizantes (procedentes de compuestos radiactivos, aparatos de radiodiagnóstico, etc.), capaces de romper enlaces moleculares y liberar iones, se sabe bastante, y especialmente que a dosis bajas lesionan directamente el ADN celular y provocan mutaciones y cáncer, y que a dosis superiores causan el llamado síndrome de la médula ósea, el síndrome gastrointestinal y el síndrome del sistema nervioso (Morcillo y Real, 2006). Especial interés puede tener recordar las controversias internacionales motivadas por el uso de los llamados proyectiles de uranio empobrecido, a raíz de su empleo en las guerras de Yugoslavia (1991), Golfo Pérsico (primera guerra de Irak, 1991), Kosovo (1999), Afganistán (2002), segunda guerra de Irak (2003), etc. El uranio natural contiene tres isótopos de este metal: 238U (constituyen- 02 toxicologia alim 24/11/08 11:27 Página 45 CONCEPTOS Y DEFINICIONES: TOXICOLOGÍA. TOXICIDAD FUENTES Luz visible Horno MW 2450 MHz 1016 1014 900-1800 MJz Radio FM; TV Radio AM 15-30 kHz y 60-90 Hz 1012 1010 8 10 106 104 50 Hz C. continua Figura 2.16. 102 Ionizantes 1018 Rotura de enlaces moleculares Ópticos 1020 Excitación de electrones Térmicos Rayos X BIOEFECTOS Inducción de corrientes intensas Calentamiento Inducción de corrientes débiles Efectos celulares diversos No térmicos 1022 RADIACIÓN NO IONIZANTE Rayos gamma RADIACIÓN IONIZANTE Frecuencia en Hz 45 Efectos genotóxicos Efectos fotoquímicos 0 Hz Ondas electromagnéticas y sus efectos (Fuente: Informe Técnico, 2001). do un 99,27% en masa), 235U (0,72%) y 234U (0,005%), y para su uso en las centrales nucleares, al objeto de obtener energía por el proceso de fisión, se requiere enriquecer el 235U hasta el 3%, cuya radiactividad no es mayor que el U natural porque en este hay también otros isótopos radiactivos. En el proceso de enriquecimiento queda como residuo el llamado uranio empobrecido, que posee el 99,8% de 238U, el 0,2% de 235U y el 0,0006% de 234U. Este uranio empobrecido (que también lleva plutonio y cantidades menores de torio, protoactinio y otros elementos similares provenientes de las plantas de procesado) tiene desde hace años distintas aplicaciones tecnológicas para aprovechar su alta densidad, como en blindajes y diferentes artilugios, y en la fabricación de munición artillera antiblindajes, en la que suele alearse con titanio, ya que al ser muy dura y pesada es capaz de atravesar paredes metálicas. En el impacto se generan fragmentos afilados, que también son penetrantes, y polvo pirosfórico que se incendia y produce óxidos del metal. El U empobrecido irradia partículas α y β que contaminan el ambiente, la cadena alimentaria y las aguas profundas; las partículas α poseen escasa capacidad de penetración y son retenidas en la epidermis, pero por ingestión e inhalación pueden producir radiolesiones en el medio interno, especialmente por vía respiratoria al inhalar vapores o polvos de los óxidos, fácilmente absorbibles. Se les achacan capacidad para producir lesiones pulmonares y renales (en la excreción urinaria), inmunodeficiencia, leucemia, cánceres y malformaciones congénitas, aunque la OMS y otros organismos aseguran que estos riesgos de origen bélico son bajos si bien deben respetarse y descontaminarse las zonas afectadas, y proseguir las investigaciones sobre la peligrosidad. Aunque esta radioactividad pueda ser baja, no puede olvidarse que el uranio posee una toxicidad química tan alta como el plomo o el mercurio. A esta contaminación junto con la administración de antídotos y medicamentos se ha culpado del llamado síndrome de la guerra del Golfo (véase más adelante el apartado de Armas químicas, físicas y biológicas). 02 toxicologia alim 46 24/11/08 11:27 Página 46 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL En 2006, la prensa internacional se ha hecho eco de lo que podría ser el primer caso de envenenamiento criminal por medio de un elemento radiactivo; un ex espía ruso murió en Londres, a pesar de la asistencia médica que le fue dedicada, achacándose su muerte a una administración de polonio, aunque también pudo haber sido que él mismo manipulara el elemento; se dijo que la misma etiología tuvo la muerte de otras personas, críticas con el gobierno ruso. Todos los isótopos de este metal son radiactivos con liberación de partículas α, y fue en el 210Po donde Marie Curie descubrió la radiactividad. La concentración, de origen natural, de este isómero en el humo del tabaco es muy alta, ya que un fumador habitual aspira unas cinco veces la cantidad necesaria para provocar tumores, y ha hecho suponer que el cáncer pulmonar de los fumadores podría tener este origen en lugar del benzopireno. El polonio se retiene en pulmón y pasa a sangre y orina de fumadores; puede conducir a cáncer de pulmón, de hígado, de vesícula y leucemia y enfermedades cardiovasculares. Acerca de las radiaciones no-ionizantes o cambios en los campos electromagnéticos (radiaciones del espectro luminoso, particularmente la luz solar, la ultravioleta y el láser, radiofrecuencia y microondas) se tiene mucha menos información, aunque en la actualidad se investiga bastante sobre ellas. Se conoce que su energía es insuficiente para romper los enlaces químicos, pero por inducción de corrientes eléctricas y vibraciones atómicas en células y tejidos, son capaces de producir calentamiento e incluso quemaduras, que pueden llegar a hacer estallar las células, aumentar la velocidad de las reacciones químicas, alterar el sistema nervioso, inducir efectos fotoquímicos, etc. Se originan en las conducciones de corriente eléctrica, instrumentos de electromedicina (por ejemplo, el bisturí eléctrico), aparatos electrodomésticos, radiorreceptores, televisores, etc., y desde hace un tiempo preocupan especialmente los hornos de microondas (particularmente cuando por suciedad u otros obstáculos no cierran totalmente), los calefactores de vitrocerámica y las radiofrecuencias de telefonía móvil y sistemas de localización (Fig. 2.16). Debe tenerse en cuenta que los teléfonos móviles o celulares interfieren con los marcapasos cardíacos. Las radiofrecuencias son parcialmente absorbidas y penetran a pequeña profundidad en los tejidos, donde transforman su energía en movimiento de las moléculas y éste en calor. Los campos electromagnéticos de baja frecuencia producen una redistribución de las cargas eléctricas en la superficie y también corrientes inducidas en el interior del cuerpo, que afectan principalmente al sistema nervioso y la función muscular. En España, el Real Decreto 1066/2001 estableció el Reglamento con las condiciones de protección del dominio público radioeléctrico y medidas de protección sanitaria. Por su parte, la Unión Europea ha actualizado (Recomendación del Consejo 1999/519, y Directiva 2004/40/CE) su normativa dirigida a la protección de la salud de los trabajadores expuestos a campos electromagnéticos, aunque sin considerar los efectos a largo plazo, por reconocer que no existen pruebas científicas concluyentes sobre la exposición y el daño. Por su parte, el ruido (del latín rugitus, rugido), definido como sonido molesto no deseado, es una energía vibratoria que está causando preocupación entre las autoridades sanitarias, ya que según la OCDE, su nivel en zonas urbanas se ha duplicado en los últimos 20 años; además se ha detectado una relación directa «nivel local de ruido-ingresos hospitalarios». Efectivamente, a partir de 30 decibelios comienza a provocar efectos nocivos; el ruido alto y continuado, incluso en forma de música estridente y particularmente la percibida mediante auriculares, provoca deficiencia auditiva, agrava el efecto local de las sustancias ototóxicas, produce excitación nerviosa que lleva a afectación del sistema cardiovascular con hipertensión, y del sistema vegetativo que se traduce en alteración del sistema endocrino, aparato digestivo y respiratorio, alteraciones fetales y psíquicas. La Directiva 2002/49/CE del Parlamento y del Consejo, conocida como Directiva del Ruido Ambiental, define a este como «el sonido exterior no deseable o nocivo g enerado por las actividades humanas, incluido el emitido por los medios de transporte, tránsito rodado, ferroviario y aéreo y por emplazamientos de actividades industriales». En España se promulgó en 2003 la llamada Ley del Ruido, cuyo reglamento, aprobado en 2006, ha suscitado críticas de expertos, principalmente jurídicos, por poca incidencia en el llamado «ruido del ocio», excesiva tecnificación al exigir mediciones con sonómetros muy precisos pero de elevado precio, olvidar que el ruido es un problema de salud pública que atenta contra los derechos de las personas, escasas atribuciones a las autoridades, etc. 02 toxicologia alim 24/11/08 11:27 Página 47 CONCEPTOS Y DEFINICIONES: TOXICOLOGÍA. TOXICIDAD 47 Ambientales: Aire: SOx, NOx, Pb, F, plaguicidas, hidrocarburos policíclicos. Aguas: vertidos químicos, petróleos. Profesionales: pintores, poceros, mineros, plomeros, linotipistas, horneros, químicos, farmacéuticos. Medicamentosas Producto, frasco Por error en Fórmula o componente Dosis (de adulto o niño) Por interacción Por intolerancia: barbitúricos, procaína, penicilina, sulfamidas, fenotiazinas Alimento tóxico: peces, vegetales Envase: plomo, plástico (sus monómeros) Accidentales Contaminación biológica Intoxicación: botulismo, aflatoxinas (biotoxinas) mitilotoxinas Toxinfección: estafilococos, salmonelas, escherichia Contaminación química Plaguicidas Hormonas Diversos Alimentarias, por Aditivos Autorizados Fraudulentos Accidentales Domésticas, infantiles: confusiones y excesos (insecticidas, medicamentos), laca, higiene alimentaria Por ponzoñas animales y vegetales (biotoxinas) Homicidios (sujeto activo distinto del pasivo). Guerra química y biológica. Suicidios-abortos (el sujeto es activo y pasivo). Toxicofilias. Drogodependencias Voluntarias Dopaje Alcohol, Opiáceos (Morfina, Heroína, Metacualona, Metadona) Barbitúricos, Benzodiazepínicos, Aspirina Cannabis, Anfetaminas, LSD laboral deportivo sexual: Afrosidiácos: Yohimbina, Metacualona, Alucinógenos, Euforizantes, Cantáridas, Nitrito de amilo Figura 2.17. Clasificación de las intoxicaciones por su etiología. ETIOLOGÍA DE LAS INTOXICACIONES La etiología (gr. aitia, causa) consiste en la búsqueda y conocimiento del origen o motivación de una intoxicación. Conforme a esto, para clasificar las intoxicaciones, es importante considerar si en su producción ha habido o no voluntariedad, es decir, si el sujeto activo ha deseado realizarla o si la intoxicación se produjo de forma accidental, sin que mediara intención alguna. Como ya hemos visto, en la actualidad se reserva la denominación envenenamiento para las intoxicaciones en que hubo voluntariedad del sujeto activo, que puede ser en ocasiones (drogadicción, suicidio), simultáneamente, el sujeto pasivo. Según la etiología, los dos grupos principales de intoxicaciones accidentales y de intoxicaciones voluntarias pueden subdividirse atendiendo a los restantes factores de la motivación (Figura 2.17). A. Entre las intoxicaciones accidentales podemos distinguir ambientales, profesionales, medicamentosas, alimentarias y domésticas. a. 1. Las intoxicaciones producidas como consecuencia de la contaminación ambiental (aire, aguas y alimentos) poseen la característica de presentarse en forma epidémica cuando se producen descargas de productos químicos al ambiente. Algunas sustancias como los óxidos de azufre o de nitrógeno son constantes en los países desarrollados por originarse en todas las combustiones; son fuertemente irritantes de piel y mucosas, especialmente de los ojos y aparato respiratorio. Cuando llueve, el agua lava la atmósfera constituyendo una 02 toxicologia alim 48 24/11/08 11:27 Página 48 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL lluvia ácida que daña la vegetación y estructuras metálicas y pétreas (puentes, edificios, monumentos). Los motores de explosión que consumen carburantes adicionados con tetraetilplomo como antidetonante (ya prohibido en casi todo el mundo), expulsan óxido de plomo y finas partículas del metal, que, después de flotar en el aire y desplazarse con el viento, se depositan o son absorbidas por vía respiratoria; este riesgo dio lugar a disposiciones internacionales para limitar el uso de dicho aditivo, que se pretendió sustituir por manganeso ciclopentanodieno tricarbonilo, sobre cuya incidencia ambiental aún no hay estudios. Las factorías donde procesan el mineral criolita (3NaF.AlF3) para obtener aluminio contaminan con fluoruros particulados que, al depositarse sobre los pastos de alimento del ganado, originan la enfermedad llamada fluorosis. Esta enfermedad se caracteriza porque en los huesos, especialmente de las extremidades y los dientes, aparecen manchas y se hacen quebradizos, a consecuencia de aumentar excesivamente la proporción de flúor; recordemos que los huesos están constituidos por apatito, que es fósfato cálcico clorado y fluorado (3Ca3P2O8. Ca (Cl,F)2); un pequeño incremento de fluoruro aumenta la dureza de huesos y dientes (motivo de la discutida fluoración de las aguas), pero un exceso los hace frágiles. En casi todas las combustiones de materias orgánicas pueden producirse hidrocarburos policíclicos, integrados en el llamado alquitrán del humo; entre ellos, el 3,4-benzopireno es uno de los más reconocidos cancerígenos, como epidemiológicamente se ha demostrado entre fumadores, deshollinadores, horneros y pueblos muy consumidores de alimentos ahumados. Las sustancias empleadas para combatir las plagas, tanto agrícolas como domésticas, son frecuente origen de intoxicaciones por olvidarse que un producto capaz de eliminar insectos, roedores o malas hierbas, es también tóxico para el hombre, aunque para ello requiera mayor dosis; son sustancias de doble filo, útiles para la humanidad, pero cuyo manejo correcto debe conocerse. En las aguas fluviales los principales agentes de intoxicación proceden de vertidos industriales y de arrastre de los tratamientos agrícolas (agroquímicos). A veces, las grandes mortandades de peces que aparecen bruscamente no se deben a intoxicación propiamente dicha, sino a asfixia, por desapa- rición del oxígeno disuelto en las aguas, a consecuencia de la fermentación de los vertidos orgánicos por industrias papeleras, azucareras, etc. Un grupo de expertos del Registro Internacional de Sustancias Químicas Potencialmente Tóxicas (IRPTC, OMS) destacó en 1983 las seis sustancias más peligrosas por su incidencia en el medio ambiente; por orden alfabético son: cadmio, dióxido de carbono, mercurio, óxidos de nitrógeno y oxidantes fotoquímicos, óxidos de azufre y plomo. Y los procesos más contaminantes: eutroficación, producción y uso de carbón y combustibles fósiles, polución por aceite y abuso de plaguicidas. Cuando el accidente químico o tóxico provoca unos efectos no deseados sobre las personas, flora, fauna, bienes o servicios, de tal magnitud que superan la capacidad de respuesta de la comunidad, se distingue como desastre químico (Gotelli, 1996). a.2. Las intoxicaciones profesionales suelen ser una forma de las ambientales, aunque también se producen por mala higiene personal de los operarios, generalmente por no lavarse las manos antes de comer o fumar durante el trabajo. Titulados superiores, como químicos, ingenieros, farmacéuticos y anestesistas, suelen ser víctimas de intoxicaciones profesionales, aunque no lo contemplen las legislaciones laborales; también experimentan en elevada proporción relativa el suicidio por medios químicos. a.3. Los medicamentos son los más frecuentes agentes de intoxicación, fundamentalmente en niños. La etiología consiste en errores diferentes y sobredosis, interacciones por polimedicación o absorción concomitante de otros productos químicos (alcohol, tabaco, insecticidas, agentes de limpieza, etc.) y por intolerancia, ya sea natural o, más corrientemente, adquirida por el repetido contacto con distintos productos químicos de cualquier índole (hipersensibilización cruzada). a.4. Entre las intoxicaciones alimentarias hay que considerar en primer lugar las causadas por alimentos naturales tóxicos, ya sean vegetales como setas, etc., o animales, como los peces que en épocas de cría segregan sustancias para combatir a los depredadores; también los moluscos que ocasionalmente se cargan de toxinas (mitilotoxinas o saxitoxinas) por ingerir plancton tóxico, como el dinoflagelado gonyaulax, causante de las «mareas rojas» al reproducirse abundantemente. El súbito crecimiento masivo de varias especies de algas microscópicas se produce cada vez con 02 toxicologia alim 24/11/08 11:27 Página 49 CONCEPTOS Y DEFINICIONES: TOXICOLOGÍA. TOXICIDAD mayor frecuencia a causa de modificaciones episódicas de las condiciones ambientales de las aguas, tanto por factores físicos, como aumento de la temperatura, iluminación, salinidad, etc., como por factores químicos en forma de contaminantes nitrogenados, fosforados y otros procedentes de desechos industriales, agrícolas y domésticos. En el agua del mar se ha identificado la proliferación de varios géneros de dinoflagelados portadores de toxinas formando parte del plancton; los moluscos bivalbos (mejillones, almejas, ostras, vieiras, etc.) y otras especies que se alimentan con este plancton por filtración de grandes cantidades de agua, retienen las toxinas que posteriormente provocan intoxicaciones en quienes ingieren tales animales. Entre otras, se distinguen la «intoxicación por toxinas paralizantes», simbolizada por el acrónimo PSP, de su expresión en inglés paralitic shellfish poisoning, la «intoxicación por toxinas diarreicas» o DSP (diarrhetic shelfish poisoning ) y la «intoxicación por toxinas amnésicas», ASP (amnesic shelfish poisoning ). Por su parte, en el agua dulce de embalses y pantanos proliferan, entre otras, las algas verdeazuladas o cianofíceas productoras de microcistinas, muy tóxicas y cancerígenas. En todos los países se instalan laboratorios para el control de la ausencia de tales toxinas en los animales acuáticos y aguas de suministro, cuyos avisos dan lugar a que las autoridades sanitarias prohíban su consumo y obliguen a la depuración. En plantas superiores utilizadas como alimento pueden encontrarse numerosos tóxicos como alcaloides diversos, glucósidos cianogénicos, glucosinolatos bociógenos, aminoácidos tóxicos, fitoestrógenos, sustancias vasopresoras y psicoactivas, etc. A veces, los alimentos envasados absorben sustancias tóxicas del envase, como plomo de las soldaduras, especialmente en conservas viejas, con la lata oxidada que origina pares eléctricos que favorece la disolución del metal. También algunos plásticos de mala calidad o terminación, y sustancias plastificantes, pueden pasar al alimento, especialmente los de tipo graso y los alcohólicos; como ejemplo citamos intoxicaciones masivas por mantequilla envuelta en papel plastificado que contenía triortocresilfosfato (TOCP). En cuanto a los trastornos por contaminación microbiana de los alimentos, se encuentran en la bibliografla clasificaciones muy contradictorias; nosotros estimamos más lógica la que considera 49 intoxicaciones y toxinfecciones de origen microbiano. Las primeras se originan al consumir alimentos que en ese momento contienen toxinas previamente producidas por el microorganismo (toxinas botulínicas del bacilo botulínico, aflatoxinas segregadas por el microhongo Aspergillus flavus, etc.); las segundas se producen tras ingerir alimentos contaminados con microorganismos que, al desarrollarse en el cuerpo del consumidor, excretan distintas toxinas (las cinco diferentes del Estafilococo áureo, las de las salmonellas o del Esqueriquia coli, etc.). a.5. Se conocen como intoxicaciones domésticas las que se originan dentro de la vivienda, y son las más frecuentes; de éstas los 4/5 afectan a los niños y en segundo lugar a los ancianos. Suelen deberse a confundir bebidas con productos de limpieza, abuso o mal uso de medicamentos o plaguicidas, mala higiene alimentaria, etcétera. a.6. Accidentes por ponzoñas o biotoxinas. Numerosas plantas, insectos, peces y reptiles poseen toxinas (ácidos orgánicos, enzimas y péptidos) que inoculadas a los mamíferos les producen gran dolor local y multitud de acciones sistémicas, de tipo anafiláctico, hemolítico, paralizante nervioso, vasoactivo, cardiotóxico, etcétera (véase Capítulo 7). B. En cuanto a las intoxicaciones voluntarias, cabe distinguir aquellas en que el sujeto pasivo (quien las sufre) es distinto o el mismo que el activo. En el primer caso, tendríamos los homicidios y delitos contra la salud pública, en sus diferentes grados, así como las intoxicaciones producidas por gases de guerra (generalmente irritantes, cáusticos y vesicantes, en piel y mucosas externas y respiratorias, o neurotóxicos, paralizantes del Sistema nervioso); con el último objetivo citado se han empleado biotoxinas (véase más adelante). b. 1. El empleo de sustancias químicas como agentes de suicidio o de aborto puede situarse en el mismo grupo, pues, al no existir productos exclusivamente abortivos (hasta el empleo de algunas prostaglandinas y antihormonas), la embarazada se expone a una intoxicación aguda de la que puede resultar la expulsión del feto o su propia muerte. b.2. Grupos aparte merecen el consumo de sustancias químicas con fines hedonistas, de placer o evasión (denominados tóxicos deleitantes, Genussifte, por Fühner, en 1946), causen o no síndrome de dependencia, o bien con fines de aumentar el rendimiento (dopaje) laboral (conductores), estudiantil, 02 toxicologia alim 50 24/11/08 11:27 Página 50 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL deportivo o sexual; el uso para el doping de hormonas o euforizantes suele conducir a importantes trastornos endocrinos y nerviosos. b.3. El empleo de algunas sustancias con fines afrodisíacos ha sido perseguido a través de los tiempos sin conseguirse productos realmente efectivos o que no produjesen efectos indeseables, cuando no contrarios al fin intentado. Suelen ser euforizantes o vasodilatadores. ARMAS QUÍMICAS, FÍSICAS Y BIOLÓGICAS A lo largo de la historia se han usado muy diferentes procedimientos para producir alteraciones funcionales, intoxicaciones o enfermedades infecciosas en las tropas enemigas. En todas las épocas se ha usado la contaminación química y biológica de ríos y pozos. La cita más antigua que registra la historia se remonta al año 600 antes de Cristo, en que el dictador ateniense Solon mandó contaminar los depósitos de agua de sus enemigos durante el sitio de Kirra (Frohne y Pfaender, 1997; Samart, 1997). Los primeros gases bélicos fueron los humos generados al quemar plantas, grasas animales, resinas o minerales con azufre o arsénico (Guerra del Peloponeso, 431 a. C.); Leonardo da Vinci sugirió el empleo de proyectiles fumígenos con arsénico, que también usaron las tropas de Napoleón. Los indios norte y suramericanos quemaban vegetales, en ocasiones impregnados de grasa de pescado. En la Edad Moderna, a principios de la Primera Guerra Mundial (1914-1918), el irritante bromoacetato de etilo fue utilizado por las fuerzas francesas, así como la cloroacetona por ellas mismas y por las alemanas y rusas (Robinson y Leitenberg, 1971). En 1915, las tropas alemanas utilizaron fosgeno, bien solo o mezclado con cloro; este mismo año, los alemanes utilizaron iperita para bombardear la ciudad belga de Yprés o Ypern, de donde recibió su nombre el producto. Puede encontrarse amplia información y referencias en Schwenk y Sznicz (2005). En la actualidad habría que distinguir dos tipos de aplicaciones de todas estas armas: acciones de guerra, en que al usuario no importa producir la muerte o incapacidad al enemigo, y actuaciones de dispersión o disuasión de grupos alborotadores, manifestantes, atracadores, secuestradores y para defensa personal, etc., en que se emplean armas no letales de efectos generalmente transitorios, denominadas «antidisturbios» Con esta finalidad es frecuente el uso de los llamados botes de humo o fumígenos constituidos por óxido de cinc y hexacloroetano que, en contacto con la humedad ambiental, forman gran cantidad de pequeñas partículas de cloruro de cinc que afectan a las vías respiratorias altas y producen daño traqueobronquial, edema y congestión pulmonar, con posibilidad de derrames pleurales e incluso en órganos internos. En la I Guerra Mundial se inició la preparación de compuestos de síntesis, que en este momento pueden clasificarse, atendiendo a sus características fisiopatológicas (Repetto, 199l), como sigue: Grupo 1. Agentes tóxicos 1.1. Asfixiantes o sofocantes (neumotóxicos), que son compuestos liberadores de cloro, fosgeno, cloropicrina, monóxido de carbono, etc. 1.3. Asfixiantes histotóxicos: ácido cianhídrico y derivados (bromuro de cianógeno, etc.) y monóxido de carbono. 1.3.1. Vesicantes, que producen irritación, vejigas, llagas, edema, etc., en mucosas externas y vías respiratorias. El agente tipo es la iperita o gas mostaza [sulfuro de bis (2-cloroetilo)]. 1.3.2. Mostazas nitr ogenadas: análogos nitrogenados de la iperita, alguno de los cuales ha encontrado aplicación como antitumoral (clorambucil, ciclofosfamida, etc.). Lesionan el ADN. 1.3.3. Arsenicales: el compuesto tipo es la lewisita (clorovinildicloroarsina), de acción similar pero más enérgica que la iperita. Contra él se desarrolló el BAL (british antilewisite, dimercaptopropanol), de gran utilidad posterior como antídoto quelante frente a los metales. 1.4. Agentes neurotóxicos: son ésteres orgánicos del ácido fosfórico (compuestos organofosforados), de gran empleo actual como insecticidas. Los más conocidos son: sarin (GB), soman (GD), tabum (GA), VX, etc. Han sidos usados por terroristas (Masuda et al., 1995). Grupo 2. Agentes neutralizantes o incapacitantes 2.1. Lacrimógenos: irritantes locales, sobre todo de las mucosas oculares y respiratorias, a las 02 toxicologia alim 24/11/08 11:27 Página 51 CONCEPTOS Y DEFINICIONES: TOXICOLOGÍA. TOXICIDAD que pueden dañar gravemente; su ejemplo tipo son la cloroacetofenona, la clorobenzofenona o el benziliden-malononitrilo. 2.2. Estornudatorios y vomitivos: son derivados de la arsina y compuestos generadores de óxidos metálicos, y «emetizantes» como las adamsitas (arsenicales orgánicos). Además de los humos por combustión ya citados, en la antigua China se usó el polvo de pimienta, que contiene al alcaloide piperina (1-piperoilpiperidina), el cual por hidrólisis libera piperidina, ambos irritantes de las mucosas; ha sido sustituido por la capsaicina (8-metil-N-vanillil-6-nonexamida) derivado de la bencilamina o vanillilamida, presente en los pimientos picantes (guindilla, chile, ají, etc.), y aprovechado como medicamento tópico analgésico pues bloquea a la sustancia P, que participa en la transmisión nerviosa sensitiva. Un spray comercial de defensa, que posee principalmente propiedades lacrimógenas y estornudatorias, contiene norflurano, acetaldehído, acetonitrilo, triclorometano, ácido acético, dihidrocapsaicina y nonivamida (estas últimas sustancias componentes de la oleorresina del capsicum). Al incidir la nebulización directamente sobre los ojos y vías respiratorias superiores suele producir irritación de piel y mucosas, con lacrimeo profuso, sensación de quemadura y dolor ocular, blefaroespasmo, estornudos incontrolables, rinorrea, tos, dolor nasal, salivación, dolor de garganta, sensación de quemazón o de sustancia picante en lengua. No suele ocasionar daño tisular permanente. En la mayoría de los individuos los síntomas suelen cesar rápidamente, a los 15-30 minutos, excepto si se frotan los ojos, con lo que pueden mantenerse rojos y con edema más tiempo, 1-2 días; por otra parte, tras la exposición a la capsaicina, la dermatitis de contacto dolorosa puede durar varias horas. Ocasionalmente, y cuando el contacto es prolongado, se pueden originar quemaduras corneales. En algunos sujetos, especialmente tras exposición intensa, se ha descrito la aparición de sintomatología cardiaca, como taquicardia e hipertensión, que parece se debe más al miedo y al dolor que a los componentes del spray, o bien, sintomatología respiratoria de mayor importancia que la referida, con laringoespasmo, broncoespasmo y edema pulmonar, que conducen a insuficiencia respiratoria. 51 Otros agentes actuales son los compuestos de olor desagradable y persistente, como el del pescado podrido, que no sólo hacen desistir a los congregados, sino que «marcan» a los individuos para permitir una posterior identificación. También se emplean agentes físicos, como el láser verde (el color al que se tiene mayor sensibilidad) que ciega por su intensidad, o la «granada acústico-luminosa» que aturde con el ruido y la luz que liberan. En el apartado de Agentes Físicos se comentan los efectos de las armas radiactivas y nucleares. Más moderna es la llamada bomba de vacío, termobárica o de combustión que, en la zona de impacto dispersa un aerosol de un combustible que al mezclarse con el oxígeno del aire y ser detonado provoca un voraz incendio acompañado de onda expansiva supersónica y altísima presión con máxima destrucción, pero sin posterior contaminación química ni radiactiva. Grupo 3. Armas indirectas, de disuasión y confusión 3.1. Fumígenos: forman nubes o cortinas de humos que impiden la visibilidad. El más conocido es fósforo por combustión, o los tetracloruros de silicio o de titanio, que producen densos humos de clorhídrico y de óxidos metálicos al hidrolizarse en el aire. Las bombas de humo llevan óxidos de varios metales y un explosivo; la inhalación de los microcristales metálicos puede lesionar el tejido pulmonar. 3.2. Incendiarios: son bombas térmicas formadas por compuestos comburentes y por combustibles. Van desde los «cócteles Molotov» a base de gasolina, jabón, etc., al napalm, que es un jabón de aluminio. 3.3. Agentes f itotóxicos: sustancias herbicidas y desfoliantes, usadas para destruir la vegetación que pudiera emboscar al enemigo; también se han usado para arrasar plantaciones de marihuana; químicamente son derivados clorados de los ácidos fenoxiacético o fenoxibutírico (2,4-D, 2,4,5-T, etc.). Estos productos pueden llevar como impurezas dioxinas (TCDD), que también se forman al quemar los vegetales secados; con ello se incrementan los riesgos tóxicos y teratógenos. 02 toxicologia alim 52 24/11/08 11:27 Página 52 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Grupo 4. Armas biológicas Como armas biológicas se consideran los agentes microbianos u otros agentes biológicos y sus toxinas usados con fines hostiles. La obtención de estos agentes es fácil y puede hacerse con escaso presupuesto, pero su aplicación presenta grandes exigencias técnicas, por lo que, a decir de los expertos «una cosa es disponer del agente biológico y otra muy distinta es poder utilizarlo como arma, especialmente a gran escala», es decir, que quienes dispongan de estos agentes pueden agredir a pequeños números de personas, pero difícilmente se consiguen los medios para una dispersión que pueda afectar a masas. Se han ensayado o utilizado toxinas, como la botulínica, la saxitoxina o la ricina o se han esparcido esporas o medios de cultivo de bacilos (B. antracis, Brucela melitensis, Pasteurella pestis), o de virus (gripe, fiebre amarilla, fiebre equina). Convenios de prohibición Aunque a la vista está su escaso cumplimiento, a lo largo del tiempo se han establecido acuerdos para restringir el uso de estas armas; el primero de ellos es el tratado de Estrasburgo, firmado en 1675 por Alemania y Francia. El convenio internacional vigente se firmó el 30 de noviembre de 1992, con el nombre de «Convención sobre la Prohibición del Desarrollo, la Producción, el Almacenamiento y el Uso de las Armas Químicas y sobre su Destrucción» con entrada en vigor el 29 de abril de 1997, si bien, con anterioridad había habido otros acuerdos, como los de la Haya (1899 y 1907) y Ginebra (1925). Además, se han firmado Instrumentos de Ratificación en 1972 (Londres, Moscú y Washington) y 1993 (París), etc. El Código Penal español (Ley Orgánica 2/2000) aplica dichas prohibiciones en sus artículos 566 y 567, en tanto que la Ley 49/1999 contempla el control de sustancias químicas susceptibles de desvío para la fabricación de armas químicas. Las armas nucleares, biológicas y químicas se distinguen bajo el acrónimo NBQ, o NBQR si se incluyen a las radioactivas, y se ha hecho popular su designación como armas de destrucción masiva. Desde el punto de vista toxicológico, es necesario destacar el posible riesgo, adicional a la exposición por estas armas, que puede presentarse tras la aplicación coincidente de diversas medidas de protección con medicamentos, antídotos, repelentes de insectos, radiaciones, etc., lo que, al parecer, ocasionó los importantes trastornos que, al cabo del tiempo, sufrieron numerosos combatientes norteamericanos y de otros países en la llamada Guerra del Golfo, y cuya etiología aún no ha sido dilucidada (Pita et al., 2003) (véase en este Capítulo el apartado Agentes físicos). REFERENCIAS TOXICOLÓGICAS EN LA LEGISLACIÓN ESPAÑOLA La legislación penal española distingue como causa de intoxicación punible entre: venenos, alcohol y drogas o fármacos y alimentos manipulados, además de cuestiones relativas al medio ambiente. También establece que el profesional que atienda a fallecidos por intoxicación o a cualquier intoxicado o accidentado (sea un trabajador, conductor de vehículo de motor o peatón) que esté bajo la influencia de sustancias químicas remita urgentemente un Parte Judicial al juzgado correspondiente. No es delito el consumo privado de drogas de abuso, pero sí su comercio y la posesión con esta intención (véase más adelante). Analicemos las referencias a cada uno de tales conceptos, de acuerdo con el Código Penal, Ley Orgánica 10/1995, de 23 de noviembre. Veneno Con relación al mismo distingue: A. Su uso se puede considerar agravante conforme al art. 22, estimándolo como alevosía (art. 22. l), o bien forma de «aumento deliberado e inhumano del sufrimiento de la víctima» (art. 22.5), o medio de «obrar con abuso de confianza» (art. 22.6). B. La muerte de otro provocada voluntariamente con veneno se califica como homicidio (art. 13 9). b.1. Se se pusieran todos los medios para producir el daño, pero por motivos ajenos a la voluntad del autor, no se consigue, se tipifica como ten- 02 toxicologia alim 24/11/08 11:27 Página 53 CONCEPTOS Y DEFINICIONES: TOXICOLOGÍA. TOXICIDAD tativa (art. 16), que se pena algo menos grave que la consumación (art. 62). b.2. Si algún facultativo conoce una muerte producida con veneno y no la pone en conocimiento de la Autoridad Judicial, incurre en delito de denegación de auxilio a la Administración de Justicia, castigándose el hecho con pena de multa y suspensión de empleo o cargo público (art. 412). C. La muerte de otro provocada por imprudencia grave es homicidio imprudente (art. 142.l), cuya pena es menos grave que el homicidio. Si el homicidio se comete por imprudencia profesional se impone además la pena de inhabilitación especial para el ejercicio de la profesión, oficio o cargo por tiempo de 3 a 6 años (art. 142.3). D. Si voluntaria o involuntariamente (por negligencia o imprudencia), por uso de medios peligrosos, no se mata con veneno o sustancias tóxicas, pero se producen lesiones, es delito de lesiones (art. 148 en relación con el art. 147), penándose más o menos atendiendo al resultado causado o riesgo producido (la pena aumenta en las lesiones de castración, esterilización o impotencia, pérdida o inutilidad de un órgano o miembro principal, o de un sentido, o una grave enfermedad somática o psíquica). Se aplican penas inferiores cuando exista consentimiento válido, libre, espontáneo y expresamente emitido del lesionado. Por ello, la eutanasia no siempre pudiera ser estimada como atenuante, como «homicidio piadoso». E. También se castiga como delito (art. 365) el envenenar o adulterar con sustancias infecciosas, u otras que puedan ser gravemente nocivas para la salud, las aguas potables o las sustancias alimenticias destinadas al uso público o al consumo de una colectividad de personas; igualmente se castiga como delito el producir por cualquier medio infección o contagio en ganado o fauna silvestre, dificultar o impedir su reproducción o migración, contraviniendo las Leyes o disposiciones de carácter general protectoras de las especies de fauna silvestre, el comercializar o traficar con ellas o con sus restos (art. 334); agravándose la pena si se trata de especies o subespecies catalogadas en peligro de extinción. También se castiga como delito el empleo para la caza o pesca de veneno, medios explosivos u otros instrumentos o artes de similar eficacia destructiva para la fauna (art. 336). 53 F. También prevé (encuadrado dentro del art. 325) el envenenamiento de aguas públicas, que no es un delito contra las personas, sino contra el interés general (Delito contra la Salud Pública). Alcohol A. Como regla general, la embriaguez, no habitual y no buscada de propósito para delinquir, y el síndrome de abstinencia son atenuantes (art. 20.2) y se equiparan con la enajenación mental (aunque en el Código de Justicia Militar es siempre agravante). B. Sin embargo, es de por sí delito, sin necesidad de ninguna otra circunstancia, el mero hecho de conducir vehículos de motor, incluso los ciclomotores, bajo los efectos de bebidas alcohólicas, drogas, tóxicos o estupefacientes, aunque no se produzca accidente o daño (art. 379), que en su versión del año 2007 condena al que condujere con una alcoholemia de 1,2 gramos de alcohol por litro de sangre (0,60 miligramos por litro de aire espirado); hay también sanciones administrativas a partir de 0,50 g / litro de sangre (0,25 para conductores de vehículos colectivos). También lo es el negarse a someterse a pruebas determinación de alcohol y drogas de abuso. C. Es también delito vender o servir bebidas alcohólicas en establecimientos públicos a menores de dieciocho años, o facilitárselas (art. 369.1o), así como producirles embriaguez maliciosamente. Incurren en delito de abandono de familia, menores o incapaces los padres que por descuido sean la causa de la embriaguez de esos menores (art. 226. l). Drogas o agentes de drogadicción A. La fabricación, manipulación o tráfico de sustancias nocivas para la salud, sin permiso, es delito, encuadrado entre los delitos contra la salud pública (art. 359). B. También es delito hacer lo anterior, aunque se esté autorizado, pero sin cumplir las normas reglamentarias (art. 360). C. Promover, favorecer o facilitar el consumo ilegal de drogas (drogas, tóxicos, estupefacientes o sustancias psicotrópicas), por cultivo, elaboración, tráfico o simple tenencia para este fin, es el delito típico y más conocido de los referidos a la droga y su consumo (art. 368); es el auténtico delito de tráfico de estupefacientes o narcotráfico. 02 toxicologia alim 54 24/11/08 11:27 Página 54 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Se considera más grave si se promueve entre menores o disminuidos psíquicos, o se introducen o difunden en centros docentes, en centros, establecimientos y unidades militares, en establecimientos penitenciarios o en centros asistenciales, o por facultativos, autoridad, funcionario público, trabajador social, docente o educador (art. 369). D. El dopaje, o absorción de fármacos, con la intención de aumentar el rendimiento, sea deportivo, laboral, sexual o en los estudios, no es más punible que si se conducen en ese estado vehículos de motor, incluso ciclomotores. El dopaje deportivo es objeto de responsabilidad administrativa y de los reglamentos propios (véase más adelante). Al amparo de la Ley 31/1995 de Prevención de riesgos laborales, y su art. 22, se van introduciendo controles analíticos del consumo de alcohol o drogas de abuso en las fuerzas armadas y en aspirantes y trabajadores de algunas empresas, especialmente de actividades de riesgo para los trabajadores u otros ciudadanos. La Ley 3/1996 establece el control del comercio de sustancias que pueden utilizarse en la preparación de drogas de abuso (precursores y reactivos). Medicamentos A. Expender o dispensar medicamentos deteriorados o caducados o que incumplan las exigencias técnicas relativas a su composición, estabilidad y eficacia, o sustituyan unos por otros, se estima como delito contra la salud pública (art. 361). B. También lo es el alterar la cantidad, dosis o la composición genuina, imitar o simular medicamentos, así como tener en depósito, hacer publicidad, ofrecer, exhibir, vender, facilitar o utilizar en cualquier forma medicamentosa conociendo su alteración (art. 362. l). C. Los medios anticonceptivos y medicamentos abortivos quedan encuadrados dentro de los medicamentos en general, teniendo igual consideración de delito para casos análogos. Alimentos A. La producción, distribución o comercialización de alimentos con omisión o alteración de los requisitos establecidos sobre su caducidad o composición si ponen en peligro la salud de los consu- midores, es también un delito grave contra la salud pública (art. 363). B. Asimismo cometen ese delito los que alteren con cualquier mezcla nociva las bebidas o comestibles, o vendan géneros corrompidos; o fabriquen o vendan objetos en cuya composición se incorporen sustancias o productos que sean nocivos (arts. 363 y 364). C. Incurren también en otro delito del mismo estilo los que oculten o sustraigan efectos destinados a ser inutilizados o desinfectados para comercializar con ellos (art. 363.5). D. Cometen el mismo delito quienes envenenen o adulteren con sustancias infecciosas, u otras que puedan ser gravemente nocivas para la salud, las aguas potables o las sustancias alimenticias destinadas al uso público o al consumo de una colectividad de personas (art. 365). Medio ambiente En los delitos contra los recursos naturales y el medio ambiente, prevé el Código la provocación, emisión directa o indirecta, vertidos, radiaciones, extracciones o excavaciones, aterramientos, ruidos, vibraciones, inyecciones o depósitos, contraviniendo las Leyes u otras disposiciones de carácter general protectoras del medio ambiente, en la atmósfera, el suelo, el subsuelo, o las aguas terrestres, marítimas o subterráneas, con incidencia, incluso en los espacios transfronterizos, así como las captaciones de aguas que puedan perjudicar gravemente el equilibrio de los sistemas naturales (art. 325). La Ley 20/1986, Básica de r esiduos tóxicos y peligrosos estableció la figura del Delito ecológico, que el Código Penal de 1995, y su actualización de 2006, denomina Delitos contra los Recursos Naturales y el Medio Ambiente (arts. 325 y siguientes). Se aumenta la pena si el riesgo de grave perjuicio fuese para la salud de las personas. Igualmente, la pena se agrava cuando estos hechos son cometidos por industrias clandestinas o que desobedezcan las órdenes administrativas al respecto, o falseando u ocultando información sobre los aspectos ambientales de la misma, o que se haya obstaculizado la actividad inspectora de la Administración. También cuando el daño producido sea irreversible o catastrófico o que se produz- 02 toxicologia alim 24/11/08 11:27 Página 55 CONCEPTOS Y DEFINICIONES: TOXICOLOGÍA. TOXICIDAD ca una extracción ilegal de aguas en periodo de restricciones (art. 326). También se califica como delito contra el medio ambiente, a la autoridad o funcionario público que favorezca la concesión de licencias ilegales que autoricen el funcionamiento de las industrias o actividades contaminantes antes referidas, o que silencien la infracción de Leyes o disposiciones normativas al efecto, así como la resolución o voto a favor de su concesión a sabiendas de su injusticia (art. 329), así como el dañar algunos de los elementos que hayan servido para su calificación (art. 330). El propagar una enfermedad transmisible a las personas tiene la misma consideración. El Código Penal (art. 322 y sig.), dentro de la rúbrica de delitos relativos a la protección de flora, fauna y animales domésticos, prevé castigar los vertidos a la atmósfera y a las industrias que lo hagan, así como el establecimiento de vertederos de basuras clandestinos o antirreglamentarios, agravando las penas si es cerca de poblaciones o de aguas. El incumplir previos requerimientos de la autoridad para evitar contaminaciones o circunstancias nocivas para la salud es sólo falta, así como el infringir las normas sobre fabricación de sustancias fétidas o insalubres, o los bandos sobre higiene pública. La Ley de Protección del Medio Ambiente Atmosférico (38/1972) modificada en 2002, 2003 y como Ley 34/2007, de Calidad del Aire y protección de la atmósfera, se dirige a prevenir, vigilar y corregir las situaciones de contaminación atmosférica (art. 1.o); dicta normas sobre establecimiento o reforma de instalaciones que puedan ser focos emisores; señala los límites permitidos de emisión; dispone la declaración de zonas de Atmósfera Contaminada (art. 5.o), y la aprobación de un Reglamento para zonas en situación de emergencia; señala las autoridades competentes en la materia; incluso concede beneficios fiscales por la corrección de circunstancias emisoras. En esta ley se establecen también sanciones (art. 31), sólo de carácter administrativo, y (art. 37) las autoridades que pueden imponerlas. El Real Decreto de 1 de agosto de 1985 contempla la contaminación por dióxido de azufre y partículas en suspensión. Señala los límites permitidos; establece medios correctores y zonas de Atmósfera Contaminada. Sólo dispone sanciones 55 administrativas. Las normas sobre emisión se contienen en el D. 833/1975 y la O. M. de 26 de diciembre de 1995. También en la ley de Aguas (RD Legislativo 1/2001), en la Ley 16/2002 de Prevención y control integrado de la contaminación, el Reglamento de Dominio Público Hidráulico (RD 606/2003), Ley 10/1998 de Residuos se disponen medidas protectoras y de controles analíticos, así como sanciones, en relación con la contaminación de las aguas fluviales, marítimas, profundas, etc., y establece las medidas de regulación y control de los vertidos a las aguas. Esta última Ley de Residuos tóxicos y peligrosos establece el régimen jurídico necesario para que en la producción y gestión (recogida, transporte, almacenamiento, recuperación, eliminación, etc.) de tales residuos se garantice la protección de la salud humana, la defensa del medio ambiente y la preservación de los recursos naturales. Incluye tanto los residuos de sustancias químicas como sus recipientes y los envases vacíos que los hubiesen contenido, pero excluye los residuos radiactivos y mineros. Califica como sustancias tóxicas y peligrosas las siguientes: los elementos químicos y sus compuestos: As, Hg, Cd, TI, Be, Cr hexavalente, Pb, Sb, Se, Te, Ti y sales hidrosolubles de Cu; los carbonilos metálicos, fenoles, cianuros, isocianuros, compuestos órgano-halogenados, disolventes orgánicos y concretamente los clorados, amianto, plaguicidas, medicamentos, peróxidos, cloratos, percloratos, nitruros, éteres, reactivos de laboratorio de actividad no conocida, alquitrán, hidrocarburos policíclicos, cáusticos y aceites minerales y sintéticos. Por último, citemos el Real Decreto 363/1995, con el Reglamento sobre Declaración de sustancias peligrosas, así como las sucesivas disposiciones que reglamentan distintos extremos del Código alimentario, no sólo en lo que se refiere a alimentos y bebidas, sino también a juguetes infantiles, pegamentos, artículos para bromas, etc. Esta y otras normativas relacionadas, y las relativas a las Buenas Prácticas de Laboratorio, se detallan en el Capítulo 11, de Experimentación toxicológica. Medio ambiente laboral Es delito contra los derechos de los trabajadores no facilitar los medios necesarios para que los tra- 02 toxicologia alim 56 24/11/08 11:27 Página 56 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL bajadores desempeñen su actividad con las medidas de seguridad e higiene adecuadas conforme a las normas de prevención de riesgos laborales, de forma que pongan así en peligro grave su vida, salud o integridad física (art. 316). En ese sentido cabe destacar la promulgación de disposiciones específicas, paralelas a las de la Unión Europea, dedicadas a los riesgos por trabajos con plomo, amianto y cloruro de vinilo monómero. Doping o dopaje Fue definido en 1963 por el Consejo de Europa como: «la administración a una persona sana de una sustancia extraña al organismo, o de sustancias fisiológicas utilizadas en cantidades o vías anormales, con el único fin de aumentar artificialmente y de forma ilegal el rendimiento de aquélla al participar en una competición. También puede considerarse dopaje la práctica de determinados procedimientos psicológicos destinados a potenciar la forma fisica de un deportista». El Comité Olímpico Internacional prohíbe el «uso en el deporte de métodos de dopaje y las clases de agentes de dopaje incluidos en diversos grupos farmacológicos»; esta redacción mantiene abiertas las listas para poder incluir en ellas cualesquiera posibles dopantes. Posteriormente, en la Conferencia Mundial Antidopaje (Lausanne, 1999) se definió como «uso de una sustancia, una técnica o un procedimiento, potencialmente dañino para la salud y/o capaz de modificar el rendimiento deportivo, o la presencia en el cuerpo de un deportista de una sustancia o la utilización de un método que esté incluido en el Listado del Código Antidopaje elaborado anualmente por la Agencia Mundial Antidopaje». El Listado válido desde el día 1 de enero de 2008 es el siguiente: I. Sustancias prohibidas en todo momento (dentro y fuera de competición) S.1. Agentes anabólicos (andrógenos, clembuterol, etc.). S.2. Hormonas. Eritropoyetina (EPO). H. de crecimiento (hGH). tetrahidrogestriona (THG). Gonadotropinas (LH, hCG), solo en hombres. Insulina. Corticotropinas. S.3. Agonistas beta-2. S.4. Antiestrógenos. S.5. Diuréticos y agentes enmascarantes. II. Métodos prohibidos en todo momento M.1. Aumento de transferencia de oxígeno. Sangre, glóbulos rojos o productos de hemoglobina. M.2. Manipulación física o química. Alteración de las muestras. Infusión intravenosa. M.3. Dopaje genético. Células, genes, elementos genéticos o modulación de la expresión genética. III. Sustancias y métodos prohibidos en competición (además de los anteriores). S.6. Estimulantes. Efedrina, anfetaminas, y derivados, pemolina, piracetam, etc. S.7. Narcóticos. Opiáceos, buprenorfina, metadona, etc. S.8. Cannabinoides. S.9. Glucocorticosteroides. IV. Sustancias prohibidas en determinados deportes P.1. Alcohol. P.2. Betabloqueantes. En España se regulan por la Ley Orgánica 7/2006 de protección de la salud y de lucha contra el dopaje en el deporte y por la publicación de listados; dicha ley crea la Agencia Estatal Antidopaje (BOE 21 de noviembre, 2006) Los principales grupos de agentes y métodos de dopaje son: Clases de sustancias calificadas como dopantes Estimulantes (incluye efedrina, fenilpropanolamina, etc.). Narcóticos. Esteroides anabolizantes. 02 toxicologia alim 24/11/08 11:27 Página 57 CONCEPTOS Y DEFINICIONES: TOXICOLOGÍA. TOXICIDAD Betabloqueantes. Diuréticos. Hormonas peptídicas y afines (gonadotropina coriónica, corticotrofina, hormona del crecimiento, renina, eritropoyetina, etc.). Métodos de dopaje Hemotransfusión, autotransfusión. Manipulaciones físicas, químicas o psicológicas. Sustancias parcialmente restringidas Alcohol. Anestésicos locales. Corticosteroides. Cannabinóides. Pero el dopaje no sólo es una práctica ilegal para las federaciones y organizaciones deportivas, sino que también puede contravenir la reglamentación de la conducción de vehículos de motor y de algunas actividades laborales. Igualmente puede ser considerado dopaje el recurrir a sustancias para incrementar la capacidad de trabajo o estudio (ejecutivos, estudiantes) y la sexual. En definitiva, además de ser considerado el dopaje como una actuación ilegal (por expresamente prohibida en distintos reglamentos), y fraudulenta (porque atenta al principio de igualdad de disposición entre competidores), ha de ser estimado desde el punto de vista toxicológico como una forma de drogadicción con sus correspondientes efectos nocivos para la salud. BIBLIOGRAFÍA Agencia Mundial Antidopaje: www.wada-ama.org. Arnold JL. CBRNE- Chemical warfare agents. e-Medicine Journal, 2001, 2,10; www.emedicine. com Astolfi E et al. Toxicología de Pregrado. Buenos Aires, López Libreros Editores: 1982. Bass R, Vamcas S. The toxicology expert: what is required? Toxicology Letters, 2000, 112-113, 383-389. Boelsterli UA. Mecanistic toxicolo gy. 2.a ed. Boca Raton. CRC Press, 2007. Calabrese EJ, Baldwin LA, Hormesis: U-shaped dose responses and their centrality in toxicology. TIPS, 22, 285-291, 2001. 57 Calabrese EJ, Baldwin LA, Hormesis: the dose-response revolution. 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Academic Press. 2007. 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 59 TRÁNSITO DE LOS XENOBIÓTICOS EN EL ORGANISMO. TOXICOCINÉTICA 3 CLASIFICACIONES GENERALES DE LOS TÓXICOS él (son los tóxicos de acción local o por contacto), o bien en un lugar distante al de entrada (tóxicos de acción sistémica). Las sustancias tóxicas pueden someterse a diferentes clasificaciones, que ayudan a su estudio, según se atienda a: A. Los tóxicos de acción local o por contacto ejercen su efecto instantáneamente sobre la piel, mucosas, árbol respiratorio, etc.; destruyen la arquitectura celular, rompiendo las membranas por alteración de las estructuras secundarias y terciarias de las proteínas. Son los productos conocidos como cáusticos, corrosivos y vesicantes. Como ejemplos tenemos los ácidos, los álcalis (lejías), óxidos nítricos y sulfúricos, óxidos y anhídridos metálicos, aldehídos (acroleína), e incluso disolventes orgánicos como éter, cloroformo, tetracloruro de carbono, tras contacto prolongado. Producen dermitis, bronquitis, conjuntivitis y auténticas quemaduras químicas. Algunas sustancias como el níquel, los cromatos, los alquitranes, etc., en su primer contacto con la piel, pueden reaccionar de forma casi imperceptible, formando antígenos que darán lugar a la producción de anticuerpos, que desencadenarán reacciones alérgicas en posteriores contactos. Por estos mecanismos se originan las dermitis de contacto y, en ocasiones, el cáncer cutáneo, y en el pulmón producen la silicosis: cuando el individuo se sensibiliza por inhalación prolongada de polvo sílice, el tejido pulmonar forma nódulos alrededor de las partículas. 1. Su naturaleza, estructura química y estado físico. 2. Usos y aplicaciones u objeto de su estudio: i y t 3. Acción fisiopatológica según Lugar de acción Efectos i y t — Medicamentos. — Productos industriales. — Productos domésticos. — Productos de uso agrícola. — Contaminantes. — Etcétera. Local Sistémica 4. Mecanismos de acción celular y subcelular (Toxicología molecular). 5. Métodos para su análisis y determinación. CLASIFICACIÓN DE LOS TÓXICOS POR EL LUGAR DE ACCIÓN Una sustancia tóxica puede afectar al individuo bien en el mismo lugar en que toma contacto con 59 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 60 60 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL B. Toxicidad sistémica, acción a distancia, en lugar distinto al de entrada. Para ello es preciso que el producto penetre en el organismo y se desplace hasta llegar al lugar o lugares donde, con mayor o menor especificidad ejercerá su acción. Tabla 3.1. Vías de entrada de xenobióticos ordenados según la velocidad de absorción y distribución. Intravascular Intraarterial Intravenosa Inhalatoria Alveolos Tracto superior Mucosa Sublingual Vaginal Nasal Ocular PROCESOS DE TRÁNSITO El tránsito por el organismo de un producto capaz de originar intoxicaciones sistémicas incluye la concatenación de una serie de procesos, como son los siguientes: absorción, distribución, fijación y excreción, a lo largo de todos los cuales, la molécula tóxica experimenta númerosas transformaciones bioquímicas. Todo este ciclo se estudia bajo el nombre de Toxicocinética, denominándose Toxicodinámica a la propia acción tóxica, que se valora por la Toxicometría. Recordemos ahora en qué consiste cada una de estas fases, y posteriormente consideraremos brevemente su tratamiento matemático (Toxicocinética). Mecanismos de absorción La absorción consiste en el paso de un xenobiótico desde el exterior a los fluidos biológicos (sangre, linfa, líquido cefalorraquídeo o LCR); para Intraperitoneal (sustancias hidrosolubles) Rectal Inferior Superior Intramuscular Subcutánea Oral Pecutánea ello el producto en disolución ha de atravesar una serie de membranas (Fig. 3.1) a partir de las vías de absorción que limitan con el medio externo (Tabla 3.l). Recordemos que las sustancias pueden atravesar las membranas biológicas por cinco mecanismos (Tabla 3.2): Exterior Membrana Piel Mucosa Fluido intersticial Respiratoria Digestiva Ocular, etc. Membrana capilar Plasma Membrana capilar Fluido intersticial Membrana celular Fluido intracelular Figura 3.1. Pasos de la absorción. 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 61 TRÁNSITO DE LOS XENOBIÓTICOS EN EL ORGANISMO. TOXICOCINÉTICA Tabla 3.2. 61 Formas de paso a través de membranas biológicas. Depende de: Forma Mecanismo Presión Gradiente de concentración Filtración Paso por poros Sí Sí Difusión Dilución — Sí Transporte Facilitado Activo Portador Portador + ATP — — Sí No Otras dos formas de absorción son: — Fagocitosis en que una célula (fagocito) engloba a una partícula sólida. — Pinocitosis, en que igualmente, por invaginación de la membrana, se introduce una gota de líquido externo (endocitosis, y al revés, exocitosis). a) Paso por los poros o canales de la membrana (filtración), que puede producirse como consecuencia de un gradiente de concentraciones (la sustancia pasa, simplemente, desde donde está más concentrada a donde lo está menos) y obligada por la presión. Las condiciones que limitan la filtración son el tamaño de la partícula, que debe ser inferior al del poro; los diferentes tejidos biológicos poseen poros de muy distinto diámetro, y la liposolubilidad (ver más adelante). b) Por disolución en los constituyentes grasos de la membrana, dando lugar a una difusión del producto de un lado hacia el otro, impulsado también por la diferencia de concentraciones. Tanto la filtración como la difusión son mecanismos pasivos, que no consumen energía. c) Con el concurso de una molécula transportadora que, uniéndose a la molécula, le permita pasar a través de la membrana, según dos modalidades: c.1. Difusión facilitada, también un mecanismo pasivo, muy eficiente, que utiliza como mediadores grandes moléculas de proteína de la membrana celular que, de forma específica para cada sustrato, se unen a una molécula de este y, mediante un cambio de conformación molecular y posterior liberación ayudan al sustrato a pasar de un lado a otro de la membrana; estas proteínas reciben el nombre de transportadores, y de canales en el caso de los iones. Entre las características de estas moléculas están la alta selectividad para la sustancia transportada (distinguen incluso a los enantiómeros), la saturabilidad, la activación o inactivación ante la presencia de otras sustancias, y ser influenciables por la temperatura. El transporte de iones de un lado a otro de la membrana es regido principalmente por la ley de acción de masas o de gradiente de concentraciones; los solutos pasan del lugar donde están más concentrados a donde lo están menos. Pero los transportadores de membrana invierten esta característica; son proteínas que cambian de conformación al contacto con el sustrato; también pueden ser poros llenos de agua, y en ambos casos se rigen por el gradiente electroquímico del sustrato. Poseen una especificidad preferencial, pero no absoluta por los principales iones de interés fisiológico. Así, las células no disponen de un sistema específico de absorción para los iones de cadmio, al no ser metal esencial, por lo que este penetra en las células por los canales de Ca++. Los canales de sodio son esenciales en todas las células excitables, pero pueden ser bloqueados por sustancias como la tetradotoxina (TTX) o la saxitoxina, el DDT o los piretroides, aunque actuando de diferente forma, ya que la TTX bloquea el canal de sodio desde fuera de este, cuando un resto guanina de la toxina se introduce por el poro, pero los organoclorados y los piretroides lo bloquean desde dentro. c.2. Transporte activo, con consumo de energía obtenida por hidrólisis de ATP (adenosin trifosfato) y capacidad para hacer que pasen las sustancias en contra del gradiente de concentraciones (desde donde están más diluidas hacia donde están más concentradas). Por ello, frecuentemente se denomina bombas a este sistema. Especialmente interesantes son las llamadas bombas de expulsión que, mediante moléculas transportadoras y con consumo de ATP, extraen 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 62 62 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL sustancias de la célula al espacio extracelular. El primer transportador de este tipo que se descubrió es la glicoproteína P (p-gp), formadora de poros en la membrana que permiten la salida de aniones hidrofóbicos; otro es la glicoproteína P-asociada a la resistencia a multidrogas (codificada por el gen MDRP, subfamilia MDRP 1 a 7), que al incrementar grandemente la salida de las células de fármacos constituidos por grandes aniones orgánicos, aquellas ven aumentada su resistencia a distintas drogas. Ejemplos de tales moléculas son el de la bomba de expulsión de conjugados (codificada por el gen MRP2), la bomba de expulsión de fosfolípidos (gen MRP3 ), etc. Estas proteínas son abundantes en hígado (en la membrana canalicular del hepatocito), intestinos, pulmón, riñón, placenta, endotelio de venas y capilares, células cancerosas, etc. En los testículos, concretamente en las células de Sertoli y las de Leydig, realizan una importante función protectora al evacuar tóxicos, como plaguicidas orgánicos halogenados, con actividad antiandrogénica. d) Endocitosis, que mediante invaginación de la membrana plasmática engloba moléculas y partículas en un proceso dependiente de ATP y de iones Ca++. Simplificando un tanto, podría decirse que el mecanismo más importante, desde el punto de vista toxicológico, para los procesos de absorción, distri- bución y fijación de los tóxicos es el de difusión, mientras que para la excreción por vía renal (medio acuoso) es la filtración de las moléculas hidrosolubles, y en plano secundario están la difusión (para la reabsorción) y el transporte activo (Fig. 3.2). Sabemos que las células poseen una membrana semipermeable, constituida por dos capas de moléculas lipídicas; cada una de éstas, según un modelo clásico (Fig. 3.3), se halla cubierta por una capa monomolecular de naturaleza proteica. Pero, según modelos más recientes, las partículas proteicas, muchas de ellas enzimas, están incrustadas en el mosaico graso (Fig. 3.4), formando poros hidrófilos que permiten el paso de disoluciones acuosas. La estructura de la membrana no es estática, sino que tanto lípidos como proteínas tienen cierta libertad de movimiento en sentido lateral, que aumenta con la temperatura y que es especialmente marcada para lípidos de cadenas cortas y muy insaturadas. La ordenación y el comportamiento de la fase lipídica se corresponden con lo que se conoce como cristales líquidos o mosaico fluido. Las dos capas grasas (integradas por fosfolípidos, glucolípidos y colesterol) son paralelas, superpuestas, y sus moléculas están orientadas radialmente; en vida, la capa de fosfolípidos más externa está compuesta por fosfatidilcolina (fosfatidil etanolamina), mientras la capa interna Figura 3.2. Travesía de la membrana por una sustancia ionizable (difusión pasiva), o por una sustancia disuelta, con intervención de un transportador T y consumo de energía (transporte activo). 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 63 TRÁNSITO DE LOS XENOBIÓTICOS EN EL ORGANISMO. TOXICOCINÉTICA Figura 3.3. Membrana celular tipo. Figura 3.4. Concepción actual de la membrana. 63 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 64 64 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL contiene además fosfatidil serina y esfingomielina, asimetría que se mantiene con consumo de energía, y que desaparece en los procesos de muerte celular. Esta estructura da a la membrana biológica un marcado carácter lipófilo, por lo que es perfectamente atravesada por las sustancias liposolubles que son sustancias apolares, es decir, no ionizadas. Por el contrario, la fuerte carga eléctrica de la membrana impide el paso a su través de las sustancias polares, es decir, de los iones. De aquí que la capacidad de ionización, o más específicamente, la capacidad de un ácido para abandonar un ion H+, o la de una base para aceptar un protón (procesos de protonación-desprotonación) desempeñen un papel decisivo en la absorción. La solubilidad de los compuestos orgánicos y su capacidad para atravesar las membranas biológicas vienen dadas por el pH del medio y el pKa del producto (recordemos que se denomina pKa al pH de una disolución en la que hay igual cantidad de sustancia ionizada que sin ionizar). Por SpH se representa la solubilidad del compuesto a un pH dado, y por So, solubilidad intrínseca, la de la forma no-ionizada, es decir, la solubilidad de un ácido a pH próximo a 0 y la de una base a pH próximo a 14. Las ecuaciones de Krebs y Speakman nos dan: I) para ácidos monobásicos: SpH = So (1 + 10pH–pKa) II) para bases monoácidas: SpH = So (1 + 10pKa–pH) de donde las relaciones SpH/So serán respectivamente: SpH pH–pKa , para los ácidos, y  = 1+10 So SpH pKa–pH , para las bases.  = 1 + 10 So En el transporte de los compuestos a través de las membranas celulares, han adquirido gran importancia las llamadas proteínas de membr ana que participan en los procesos toxicocinéticos de absorción, distribución y excreción; como proteínas que son, su concentración y actividad dependen de las características genéticas de cada indivi- duo, aunque también pueden ser aumentadas o disminuidas por la presencia de otras sustancias. Se distinguen dos grandes superfamilias transportadoras de membrana: a) Las conocidas como ABC, que generalmente catalizan el transporte activo con hidrólisis de ATP. Entre ellas destaca la familia de glucoproteínas P (P-gp ó G-P) (codificadas principalmente por el gen MDR-1, afectado de polimorfismos), y b) La de facilitadores mayores (MF) o transportadores secundarios y terciarios. La glucoproteína P (P-gp) de membrana plasmática es una molécula de pequeñas dimensiones (170 kD), formada por un carbohidrato y una molécula de proteína, constituida por 1.200 aminoácidos que se disponen en 2 cadenas iguales, cada una con un segmento N-terminal hidrofílico y un segmento C-terminal hidrofóbico. En su cara intracelular hay una región hidrofílica a la que se liga una molécula de ATP, para permitir su mecanismo de acción dependiente de energía. La estructura de la G-P es característica de un poro de membrana a través del cual diferentes fármacos son bombeados al espacio extracelular, para disminuir la concentración del interior de la célula a niveles que resultan inactivos. La G-P se detecta en numerosos órganos y tejidos, especialmente en los epitelios de órganos maduros con capacidad excretora o secretora, endotelios y tejido trofoblástico; en las células del recubrimiento intestinal actúan como una «bomba de aspiración» que devuelve las moléculas al intestino para su excreción, en lugar de permitir que pasen al torrente sanguíneo. La corteza adrenal, el túbulo renal proximal y el epitelio del colon expresan G-P con mayor intensidad que en el resto de tejidos, lo que facilita la eliminación de metabolitos y de diferentes sustancias a la bilis, la orina o a la luz intestinal, y confirma el papel destoxicante y protector celular de la G-P, al tratar de impedir que los xenobióticos alcancen concentraciones activas en estos lugares así como en el endotelio capilar del testículo y del sistema nervioso central. Los xenobióticos que estimulan la actividad de la glucoproteína P (como determinados antirretrovirales) reducen la concentración plasmática de los principios activos, mientras que los inhibidores de esta glucoproteína la aumentan. 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 65 TRÁNSITO DE LOS XENOBIÓTICOS EN EL ORGANISMO. TOXICOCINÉTICA Por otra parte, la mayoría de los pacientes con tumores que responden inicialmente a la quimioterapia presentan posteriormente recaídas, insensibles al tratamiento por la adquisición de la llamada resistencia adquirida a múltiples fármacos antineoplásicos (MDR-multidrug resistance). En el estudio farmacocinético de estos fármacos se observó un bombeo activo al exterior de la célula cuando se unían a una proteína de membrana plasmática, presente sólo en las células resistentes. De la superfamilia de facilitadores mayores (MF) cabe distinguir a los transportadores de cationes orgánicos (OCT), que extraen a las aminas biógenas, etc., y a los transportadores de aniones orgánicos (OAT), para folatos, ácidos biliares, antimitóticos, etc. En general, las condiciones que una membrana biológica exige para permitir el paso de sustancias a su través son: — Pequeño radio atómico o molecular. — Valor intermedio del coeficiente de partición lípido/agua, de la forma no ionizada. Recordemos que el coeficiente de reparto o partición (atribuido a Hogben, 1957) es el cociente entre las concentraciones de un producto que se distribuye entre dos disolventes inmiscibles; para determinar el coeficiente de reparto lípido/agua de una sustancia, se suele emplear aceite de oliva, heptano o n-octanol frente agua. Se valora de la siguiente manera: una disolución acuosa del producto se agita en un embudo de decantación con un volumen del disolvente orgánico; se deja reposar para conseguir la separación de las capas de los disolventes inmiscibles y se determina la concentración del producto problema en ambos. En esta fase en equilibrio, el coeficiente de partición lípido/agua será: Concentración en el disolvente orgánico Cp =  Concentración en el agua En la actualidad puede determinarse de forma más cómoda mediante cromatografía de líquidos de alta presión (HPLC) que es el método recomendado por la OCDE. La vía intravascular (intravenosa o intraarterial) es la más completa e inmediata, seguida de la pulmonar o inhalatoria. 65 Por la piel, mucosa gastrointestinal y membrana alveolar son perfectamente absorbibles los compuestos liposolubles, sustancias apolares, siéndolo muy difícilmente las sustancias hidrosolubles, polares y en estado ionizado. Por su parte, la absorción por vía percutánea (cuantitativamente importante en toxicología laboral y ambiental) depende del grado de integridad de la epidermis y de su tratamiento previo con jabones, detergentes y disolventes. La cuestión toma aspectos de creciente interés a lo largo del tracto digestivo, donde las sucesivas variaciones del pH modifican los estados de disociación de las sustancias polares, controlando las posibilidades de su absorción (Fig. 3.6). El alcohol, la nitroglicerina, algunos esteroides (estrógenos), nicotina, cocaína, etc., pueden absorberse a través de la mucosa bucal (sublingual) con mayor o menor eficiencia. Si bien la mucosa esofágica es similar a la del estómago, la penetración desde el esófago es pequeña por la rapidez del tránsito; sin embargo, le afectan mucho los cáusticos ingeridos, especialmente en sus tres estrechamientos fisiológicos, que se lesionan por contacto. La mayor absorción ocurre en estómago o intestino, dependiendo de la estructura química del producto. Ahora bien, la absorción por la vía oral está afectada por numerosas variables (contenido gástrico previo, velocidad de tránsito intestinal, etc.); la vía rectal también presenta diferencias según el lugar más o menos profundo de la aplicación y la edad del individuo, que influye grandemente en el proceso (Fig. 3.7). Las moléculas mejor absorbibles por los sistemas biológicos son las que se disuelven bien en las dos fases, es decir, con coeficiente alrededor de 1, porque pueden pasar del medio externo a la membrana y de ésta al medio acuoso interno. Las sustancias exclusivamente liposolubles (aceite de vaselina o parafina, etc.), o las únicamente hidrosolubles, no atraviesan las membranas por difusión pasiva. Los electrolitos débiles, que se ionizan en solución acuosa pero no en gran proporción, cuando están en forma no-ionizada son más liposolubles y, por tanto, difusibles por las membranas biológicas; pero en estado ionizado son muy hidrosolubles y, por ello, no difusibles a través de los lípidos celulares. 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 66 66 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL El grado de ionización de los electrolitos es función del pH del medio y de su propio pKa (igual al logaritmo negativo de la constante de disociación). La concentración relativa de las formas ionizadas y no-ionizadas de una sustancia en disolución viene dada por las ecuaciones de Henderson-Hasselbach. Para un ácido débil: [no-ionizado] log  = pKa – pH [ionizado] Figura 3.5. Paso de un compartimiento a otro, según el pH. Para una base débil: [no-ionizada] log  = pH - pKa [ionizada] Consecuentemente, un ácido débil que está poco ionizado en medio ácido, se difundirá a partir de un medio a pH ácido; por el contrario, una base débil, poco ionizada a pH alcalino, será más liposoluble cuando se encuentre en un medio a pH alto. Por las mismas razones, una sustancia ácida débil se concentrará en medios acuosos neutros y las sustancias básicas en los medios ligeramente ácidos. La diferencia de pH entre el del plasma (7,4) y el del jugo gástrico (1) o el del contenido intestinal (5-7-8) rige el paso de electrólitos débiles (ácidos o bases débiles) desde el estómago o intestino al plasma y viceversa (Fig. 3.5 y 3.6). En la práctica, la mucosa gastrointestinal es impermeable a las formas ionizadas de ácidos o bases débiles, pero no lo es a las formas no-ionizadas, que atraviesan la mucosa con velocidad proporcional a su liposolubilidad, hasta alcanzar el Píloro C B Estómago pH 1 - 3,5 Duodeno pH 5-6 A Yeyuno Intestino grueso 7-8 Íleon pH 8 Figura 3.6. Variaciones del pH a lo largo del tubo gastrointestinal. 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 67 TRÁNSITO DE LOS XENOBIÓTICOS EN EL ORGANISMO. TOXICOCINÉTICA [base] log  = pH – pKa [ácido] equilibrio. Entonces, la concentración de la sustancia no-ionizada será igual a ambos lados de la mucosa; pero la cantidad total de xenobiótico será mayor en el lado donde esté más ionizado. Si llamamos pKa al log negativo de la constante de disociación del ácido (pKa es el pH al que hay tanta sustancia ionizada como sin ionizar), [base] pH = log  + pKa [ácido] y [base] (pH – pKa)  = 10 [ácido] [base] = [ácido]  10(pH – pKa) Sustituyendo en R: [base] [ácidoI] + [ácidoI]  10(pHI – pKa) log = == pH – pKa R  [ácido] [ácidoII] + [ácidoII]  10(pHII – pKa) [base]  = antilog (pH – pKa) [ácido] Si a un lado (I) y otro (II) de una membrana, los pH son pHI y pHII, y R es la razón de las concentraciones totales de fármaco a ambos lados: [ácidoI] + [baseI] R =  [ácidoII] + [baseII] Como: Figura 3.7. La absorción por vía rectal es más rápida y efectiva en la proximidad del ano, pues el plexo venoso hemorroidal inferior evita el paso por el hígado. [ácidoI]  10(pHI – pKa) =  [ácidoII] 10(pHII – PKa) En el equilibrio, [ácidoI] = [ácidoII], luego 1 + 10(pHI – pKa) R=  1 + 10(pHII – pKa) 67 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 68 68 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL de donde, habrá mayor cantidad de producto total donde la diferencia pH – pKa sea mayor, o (para un mismo pKa) donde el pH sea más alto. Igualmente, para las bases, se obtiene que: 1 + 10(pKa – pHI) R =  1 + 10(pKa – pHII) por lo que habrá más base total donde la diferencia pKa – pH sea mayor, o, lo que es igual, donde el pH sea más bajo. Para un ácido débil, pKa = 3, luego en el plasma pH – pKa será 4,4 y en el estómago –2. Un ácido orgánico estará muy poco ionizado en el estómago, por lo cual será rápidamente absorbido, pero un ácido fuerte, con pKa inferior a 1, no será bien absorbido desde el estómago. Por ello, el barbitúrico (pKa = 7,8) se absorbe mejor que el salicílico (pKa = 3,5). Las bases débiles serán absorbidas débilmente (cafeína pKa = 0,8, antipirina 1,4, aminopirina pKa = 5) (Fig. 3.8). Las bases fuertes se acumulan en el estómago, incluso pasando a él desde la sangre. Lógicamente, todo se invierte cuando se cambia el pH gástrico, por ejemplo, alcalinizando con bicarbonato sódico; entonces el salicílico es menos absorbido, y la antipirina o la quinina, más, porque aquél estará totalmente ionizado y éstas muy poco. En el intestino, al crecer el pH hasta casi la neutralidad, los ácidos son pobremente absorbidos y las bases lo son mejor. Sin embargo, el fenómeno, en general, no es matemático, porque la absorción también depende de la liposolubilidad (coeficiente de partición lípido/agua) de la forma no ionizada. Además, estos factores de dependencia del pKa no son los únicos que intervienen en la absorción por difusión a través de una membrana. Así, por ejemplo, en medio acuoso los iones pueden formar hidratos de gran tamaño que impiden su paso a través de la membrana o pueden formar in situ pro- Figura 3.8. Valores aproximados de pKa de algunos ácidos y bases. Las sustancias marcadas con asterisco son anfóteras. (Tomado de Rowland y Tozer). 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 69 TRÁNSITO DE LOS XENOBIÓTICOS EN EL ORGANISMO. TOXICOCINÉTICA ductos complejos con los mucopolisacáridos de la propia pared, impidiendo la difusión. Así, en el estómago, el tóxico puede reaccionar con sustancias contenidas en él, como partículas de alimentos, medicamentos (gel de aluminio), o secreciones, como mucina, pepsina, renina, lipasa, etc. Cuando los productos neoformados se ponen en contacto con el jugo pancreático, pueden originarse otros nuevos, o liberarse los primitivos. Todo ello modifica la absorción y toxicidad de una sustancia. Distribución Aunque grasas y proteínas pueden ser transportadas por el sistema linfático, el papel principal lo juega la sangre. Una vez el tóxico en la sangre, ésta lo distribuye por todo el cuerpo. Como un adulto tiene seis litros de sangre y el volumen minuto cardíaco es aproximadamente de seis litros, resulta que en un minuto Figura 3.9. 69 toda la sangre ha recorrido, al menos una vez, todo el sistema vascular. Algunos xenobióticos se pueden transportar disueltos en el agua plasmática. Otros van unidos a proteínas (especialmente, 50 por 100, albúmina de Pm = 69.000) que se unen a iones y moléculas pequeñas. Las moléculas apolares o liposolubles se unen a las lipoproteínas α y β por disolución en el componente lipídico (Fig. 3.9). Otras sustancias y elementos, como el plomo, se transportan fijados al estroma de los hematíes. Los grupos ionizados de las proteínas, preferentemente la albúmina y también las globulinas, pueden reaccionar tanto con iones positivos como negativos (básicos o ácidos), a pesar de que al pH plasmático (7,4) tienen carga netamente negativa, pero se producen uniones iónicas muy débiles y reversibles. En esta forma de unión proteínica, los fármacos no son activos, sino que tienen que liberarse para poder actuar sobre los receptores. Así, el déficit de proteínas Interacción de sustancias endógenas y exógenas con las proteínas plasmáticas transportadoras. 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 70 70 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL circulantes, como en caso de enfermedades hepáticas o renales, malnutrición, infecciones sépticas o quemaduras extensas, mantiene en forma libre a mayor proporción de fármaco incrementando sus efectos tóxicos. Las proteínas plasmáticas (circulantes) y las tisulares (tanto de superficie como intracelulares) fijan la mayoría de los xenobióticos por absorción, mediante enlaces estables pero reversibles, de carácter iónico, enlaces de hidrógeno, ion/dipolo, fuerzas de Van der Waals (al igual que unen a los receptores). En Toxicología tienen especial interés las proteínas ceruloplasmina (Cu), transferrina (Fe), metalotioneína (Cd, Zn, Pt, etc.), niquelplasmina (macroglobulina). De acuerdo con Mercer (2002), el cobre de la dieta atraviesa la membrana plasmática gracias a la intervención de una enzima ATPasa tipo P (ATP7A) y penetra en la vena porta que lo lleva al hígado. El déficit de ATP7A, también simbolizada como MNK, provoca la pérdida de cobre con las heces o su acumulación en intestino y deficiencia en el feto, para cuya penetración se precisa dicha enzima y, consecuentemente, retaso mental y anormalidades en tejido conjuntivo, originándose lo que se conoce como enfermedad de Menkes. En el hígado hay una ATP7B que participa en la salida del ion hacia la bilis y la sangre; en ésta, el cobre es transportado por la ceruloplasmina y circula en el cerebro gracias a la ATP7A y en la glándula mamaria por la ATP7B; la deficiencia de ATP7B da lugar a acumulación, por retención, en hígado, y degeneración hepática y neuronal, en lo que se conoce como enfermedad de Wilson o degeneración hepatolenticular. Por tanto, cuando por causas genéticas, hereditarias, un individuo posee insuficiente dotación de las citadas proteínas, el cobre absorbido normalmente con los alimentos (sin que se trate de una sobredosis o intoxicación) no se transporta apropiadamente, y se deposita en distintos órganos, ocasionando las enfermedades citadas, que pueden tratarse con la administración de quelantes (penicilamina) que extraen y favorecen la excreción urinaria del metal, aunque no pueda repararse el daño celular previamente ocasionado. De la transferrina se han identificado varios haplotipos que poseen distinta capacidad transportadora del hierro. Las metalotioneínas (MT) forman una familia de isoformas proteicas con gran capacidad de unión para los metales, gracias a sus grupos tioles; aunque su función fisiológica no es bien conocida, se sabe que participan en la homeostasis de cobre y cinc, y participan en el transporte y eliminación de cadmio y cinc. La síntesis de las MT es inducible por distintos metales y arsénico, glucocorticoides, citoquinas y endotoxinas. Se ha propuesto utilizar el aumento de MT como biomarcador de la contaminación por metales, aunque según lo expuesto, no puede considerarse como un indicador específico. Su síntesis en hígado y riñón se incrementa grandemente en la intoxicación por cadmio. Los lípidos intra y extracelulares (triglicéridos, fosfolípidos, esteroides), retienen o transportan xenobióticos por disolución, conforme a su coeficiente de reparto, e intervención de enlaces noiónicos y fuerzas de Van der Waals. Algunos xenobióticos hidrosolubles que no atraviesan las membranas celulares (iones, inulina, etc.) se retienen en el plasma y el líquido extracelular. Los fármacos difusibles (especialmente los ácidos) penetran en los hematíes, cuyo pH interior es más elevado que el del plasma, a consecuencia del exceso de cargas catiónicas de la hemoglobina; de esta forma, los aniones se acumulan en los glóbulos rojos, al igual que los xenobióticos muy liposolubles, como cloroformo, cloruro de etilo, ion plomo, etcétera, que se hallan en los hematíes 3 a 8 veces más concentrados que en el plasma. Los leucocitos participan poco en esto, pero pueden fagocitar partículas insolubles. La fijación de los xenobióticos a las proteínas plasmáticas es generalmente reversible, porque consiste en uniones de débil energía y muy raramente covalentes, como hemos visto. Aunque suele haber cierta especificidad de fijación de cada sustancia sobre los diferentes constituyentes hemáticos, a dosis elevadas se pierde la especificidad y la fijación se realiza sobre todas las fracciones plasmáticas. Hay que tener en cuenta que cuando se analiza una sangre se determina el total de xenobiótico presente, pero cuando se hacen bioensayos sólo se valora el xenobiótico libre. Cuando se diluye grandemente la sangre o se desproteiniza, se libera el fármaco. El principal factor que condiciona la distribución es la diferente irrigación sanguínea de los dis- 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 71 TRÁNSITO DE LOS XENOBIÓTICOS EN EL ORGANISMO. TOXICOCINÉTICA tintos órganos. Así, el cerebro, que constituye sólo el 2 % del peso corporal, recibe el 16 % del envío cardíaco. La velocidad de entrada de un xenobiótico en los diferentes tejidos depende de la velocidad relativa de la sangre a través del correspondiente lecho capilar y de la permeabilidad de éste a las moléculas del tóxico. En los capilares arteriolas se produce ultrafiltración hacia afuera a consecuencia de la presión hidrostática arterial, mientras que las vénulas recogen solutos del líquido intersticial, conforme a la presión oncótica (coloideosmótica), de esta manera actúa también el sistema linfático. El paso del xenobiótico desde la sangre a los tejidos se rige por los mismos mecanismos que la absorción, y el equilibrio se establece en sólo unos minutos. La difusión a través de la membrana capilar obedece al gradiente de concentración del xenobiótico libre y a la pequeñez de la molécula. Las moléculas liposolubles pasan merced al coeficiente de partición lípido/agua, y penetran rápidamente en los tejidos. El paso de las sustancias hidrosolubles depende del gradiente de concentración en ambos lados de la membrana, y del tamaño de la molécula, pues ésta tiene que atravesar los poros, de aproximadamente 30 nm, muy variables de un tejido a otro. La estructura histológica cerebral, equívocamente llamada «barrera hematoencefálica» (véase más adelante y en Cap. 7), reduce drásticamente la entrada de las sustancias hidrosolubles de cualquier tamaño, pero no de las liposolubles. Por el contrario, las estructuras renales poseen grandes poros (75 nm) y tienen gran permeabilidad al agua. La absorción por el sistema linfático se basa en procesos de pinocitosis. Los xenobióticos penetran en el SNC por dos vías: líquido cefalorraquídeo y sangre de las arterias carótida y vertebrales que después forman el polígono de Willis, de donde salen los capilares encefálicos. La difusión no es homogénea por todo el encéfalo, sino que los xenobióticos penetran mejor en la corteza y algunas zonas concretas; esto puede deberse tanto a diferente irrigación como a diferencias en la estructura de los capilares. Ya hemos apuntado que los capilares cerebrales presentan menos permeabilidad a las disolu- 71 ciones acuosas que los del riñón o del músculo. Aparte de la mayor proporción de grasa, la membrana basal del endotelio está muy unida a células del tejido conectivo glial (astrocitos), por lo que los fármacos han de atravesar no sólo los poros del capilar, sino también el astrocito. Además, cuando la sustancia llega al líquido intersticial se encuentra con que aquí hay muy pocas proteínas transportadoras. El LCR también tiene gran escasez de proteínas. Como los colorantes se unen fuertemente a las proteínas plasmáticas, cuando Ehrlich estudió la penetración de aquéllos en el cerebro y comprobó que no entraban, habló de la «barrera hematoencefálica», que en realidad no existe, ya que los productos liposolubles entran perfectamente, y los hidrosolubles de pequeño tamaño molecular también, pero los restantes hidrosolubles y los ionizados lo hacen muy lentamente. Por ello se acepta hoy que la barrera presenta un carácter más cuantitativo que cualitativo. Cuando se producen cambios osmóticos o lesiones en los vasos (por tóxicos o anoxia), las células epiteliales se contraen, abriéndose poros que facilitan el tránsito. Las características histológicas de la placenta hicieron creer que el feto estaba libre de los tóxicos circulantes en la sangre materna. Pero se ha visto que los productos liposolubles (gases anestésicos, por ejemplo) se difunden rápidamente a su través, y el equilibrio en sangre materna y fetal tan sólo está retrasado por el menor flujo placentario (Fig. 3.10). Y como, por otra parte, el feto tiene mayor proporción de lípidos (SNC desproporcionalmente grande) respecto al adulto, puede retener los tóxicos liposolubles y experimentar mayor intoxicación que la madre. Para el cálculo del reparto de un xenobiótico entre fluidos y tejidos es útil el coeficiente de distribución tisular (CDT): Concentración en tejido CDT =  Concentración en sangre Según Curry y Sunshine (1960) cuando el cociente de barbitúricos en hígado/sangre es mayor que 4, la muerte ocurre normalmente dentro de las 5 horas de la ingestión, pero cuando es menor de 4, no existe relación entre el tiempo desde la ingestión de la droga y la muerte. Por su 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 72 72 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Figura 3.10. Circulación placentaria. parte, Boratto, McIntyre y Drummer (2002) han demostrado que las concentraciones postmorte de varias benzodiazepinas presentan correlaciones de alrededor de 2 en hígado frente a sangre femoral. Igualmente puede ser de interés el coeficiente de distribución saliva (s) y sangre o plasma (p): 1 + 10(pHs-pKa) Fármaco libre en plasma R=    (pHp-pKa) 1 + 10 Fármaco libre en saliva En resumen: el paso de los xenobióticos desde el torrente circulatorio a los tejidos depende de: su lipo/hidrosolubilidad, peso molecular y estado de agregación (la unión a macromoléculas proteicas lo reduce). Las sustancias que mejor se difunden son las de coeficientes de partición lípido/agua alrededor de 1. Sin embargo, hay sustancias que, por un posible mecanismo alostérico, producen un cambio en la permeabilidad de la membrana, bien abriendo los poros, bien modificando los sistemas de transporte, bien actuando sobre enzimas del interior de la membrana (interfiriendo sobre el AMP-c). Además de todo esto, sigue rigiendo lo ya visto sobre la reducida capacidad de atravesar membranas por las sustancias ionizadas; sólo la fracción no-ionizada al pH del plasma (forma más liposoluble) tiene fácil acceso a los órganos. Un ejemplo interesante de distribución lo presenta el fármaco metadona (6-dimetilamino-4,4-difenilheptan-3-ona), que se utiliza como sustitutivo en tratamientos de deshabituación de la heroína pero también empleado como droga de abuso por sus efectos narcóticos de largo tiempo de acción y menor efecto sedativo. Casi el 90 % de la metadona circulante va unida a las proteínas plasmáticas, como lipoproteínas de baja densidad, albúmina y, principalmente, a la alfa1-glicoproteína ácida (α-AGP), cuya concentración varía grandemente dependiendo de numerosos factores, como estrés, inflamaciones, diversas enfermedades, embarazo y distintos fármacos; consecuentemente, pueden originarse grandes cambios en la concentración de droga libre y, por tanto, de su acción sobre los receptores. Ello puede explicar, al menos en parte, los fallecimientos que ocurren entre los drogadictos (generalmente internados en centros penitenciarios) en tratamiento con este fármaco a dosis normales (véase apartado siguiente). Localización, acumulación o fijación La sangre distribuye a los xenobióticos por todos los tejidos del organismo, que, de acuerdo con sus afinidades fisicoquímicas, los retienen en mayor o menor grado. Esta retención puede ser de dos tipos: a) En los tejidos sensibles al fármaco, o lugares de acción (localización). b) En tejidos de acumulación o almacenamiento, lo que supone una retención que impide ejercer la acción principal del fármaco; por ejemplo, el flúor acumulado en los huesos no actúa como tóxico enzimático o cardíaco, pero provoca fragilidad ósea. 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 73 TRÁNSITO DE LOS XENOBIÓTICOS EN EL ORGANISMO. TOXICOCINÉTICA La irrigación es fundamental para la recepción de los fármacos por un órgano. Así, la sustancia blanca cerebral recibe menos sangre que el córtex; por autorradiografía se ve que a éste llega más fármaco que a aquélla. Hay algunos capilares (los del glomérulo renal o del hígado) que son más permeables que los musculares. Pero en el cerebro los capilares son mucho menos permeables para las sustancias hidrosolubles. Un efecto de esto, por ejemplo, es la rápida penetración en el cerebro de los anestésicos (liposolubles) como el ciclopropano o el óxido nitroso. El tiopental es el barbitúrico con más alto coeficiente de partición, y por ello pasa más rápido al cerebro que su homólogo oxigenado, el pentobarbital, de menor coeficiente de partición. Ambos son de similar potencia hipnótica: a igual concentración en cerebro producen el mismo grado de anestesia, pero el tiopental es mucho más instantáneo en su acción, aunque también es más rápida la recuperación (modelo de acción ultracorta) a causa de su biotransformación. La sangre arterial aporta el xenobiótico a los órganos, y la venosa los extrae, aunque cada tejido puede retener determinadas cantidades, y se alcanza un estado estacionario o de meseta. Las propiedades físicas, como el coeficiente de partición, o las químicas, como la afinidad, dan lugar a una acumulación selectiva de los diferentes tóxicos en los distintos órganos. Así, los productos organoclorados y disolventes apolares se retienen en tejido nervioso y tejido adiposo, por la liposolubilidad; el plomo y el flúor en los huesos, por interferencia con el ion Ca; el arsénico en pelos y uñas, por la fijación en sus proteínas con gran proporción de aminoácidos azufrados; el mercurio en el riñón, etc. Aún rige una mayor especificidad; así, nosotros hemos demostrado que las sales inorgánicas del plomo se acumulan preferentemente en riñón, mientras que los derivados orgánicos de este metal se fijan en cerebro e hígado; posteriormente, cuando estos derivados son metabolizados a sales inorgánicas más hidrosolubles conducen a depósitos renales. Los pulmones acumulan numerosas sustancias, particularmente las bases débiles lipófilas con valores de pKa superiores a 8, tales como anfetaminas, amitriptilina, imipramina, clorpromazina, metadona, morfina, etc. 73 La metadona se fija fuertemente a las proteínas tisulares y se acumula en pulmón, riñón, bazo y cerebro (Ellenhorn et al., 1997), con un gran volumen de distribución que, según algún autor (Wolf et al., 1993) puede llegar hasta 13,4 L/kg; esto implica que sólo una pequeña parte (1 %) de la metadona total en el cuerpo se encuentra en la sangre (Meresaar et al., 1981). El tejido graso, que en un hombre de unos 70 kg no grueso puede ser de unos 13 kg (un 18 % del peso corporal), a pesar de su escasa irrigación sanguínea, acumula gran cantidad de sustancias lipófilas, que pueden movilizarse y pasar de nuevo a la sangre en situaciones de adelgazamiento. En el esqueleto, que en un adulto supone unos 10 kg, se fijan preferente metales y elementos nometálicos, que o bien se unen a los componentes óseos (como el aluminio en el fluorapatito, o el arsénico) o sustituyendo al calcio, como el plomo, etc. Se ha sugerido que los tejidos funcionan como reservorio, que acumulan el xenobiótico tras dosis repetidas y realizan un sistema de equilibrio entre la sustancia fijada y la circulante En resumen: las sustancias liposolubles se depositan y almacenan en tejido nervioso y depósitos grasos; las sustancias coloidales en el sistema reticuloendotelial, y los metales en los huesos y riñón. Eliminación La excreción de los tóxicos se efectúa por medio de la orina, bilis, heces y, una proporción de los compuestos volátiles, por el aire espirado. Menores cantidades se eliminan por la leche, el sudor y la saliva, que, aunque cuantitativamente no sean relevantes, en algunos casos, como en el de la leche, tienen importancia y peligro para quienes ingieran esta última como alimento. Este es el caso de leche de madres fumadoras, bebedoras o drogadictas, o de vacas que se alimentan con pastos contaminados. Ejemplos de excreción por las distintas vías: Pulmones: Tóxicos gaseosos y volátiles: hidrocarburos de bajo punto de ebullición, alcoholes, cetonas, CO, CNH, aminas y algunas grasas (colesterol, etc.). 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 74 74 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Jugo gástrico: Bases, alcaloides (nicotina, estricnina, etc.). Bilis: Compuestos de alto peso molecular, generalmente como conjugados de sus metabolitos. Sustancias liposolubles: emulsionadas, conjugadas: glucuronatos, sulfatos Compuestos policíclicos: benzopireno Colorantes; aminas aromáticas Leche: Sustancias liposolubles e hidrosolubles. Alcohol. Nicotina. Aflatoxinas. Plaguicidas orgánicos. La leche tiene un pH (7,0) ligeramente más ácido que la sangre (7,4), por lo que las bases débiles tienden a pasar a la leche, al contrario que los ácidos débiles, que son retenidos en el plasma. Algunas sustancias alcanzan en la leche concentraciones superiores a la de la sangre, como los tiouracilos, estreptomicina, sales de litio, iodo, mercuriales, isoniazida, etanol, difenilhidantoína, cloranfenicol, cicloserina, tetraciclinas, etc. Sin embargo, estas últimas, al formar quelatos con el calcio de la leche, no son activas en el lactante. Los esteroides, barbitúricos, salicilatos, antibióticos, clorpromacina, diuréticos, contraceptivos orales y laxantes sólo resultan peligrosos cuando la madre los absorbe en grandes proporciones. Orina, saliva, lágrimas y sudor: Sustancias hidrosolubles de bajo peso molecular. Sales metálicas, ácidos, bases, alcohol, cianatos. Heces: Compuestos ingeridos pero no absorbidos o los excretados por la bilis; en pequeña proporción, por difusión desde los vasos sanguíneos intestinales. Pelo: Xenobióticos (orgánicos e inorgánicos) presentes en la sangre en el momento del nacimiento del pelo se fijan a la matriz de éste, y reflejan un «perfil cronológico» de la exposición o consumo. Excreción renal El mejor de los sistemas de eliminación es, con mucho, el filtro renal; en el adulto las arteriolas procedentes de la arteria renal aportan un flujo de 1,2-1,3 litros por minuto (aproximadamente el 25 por 100 del volumen minuto cardíaco), es decir, un promedio de 1.800 litros de sangre al día. Esta sangre experimenta un primer proceso de filtración a una velocidad de 130 ml/min (unos 190 l/día) que constituye la orina primaria; de ella sólo el 1 por 100 será excretada, porque el resto es recuperada por el proceso de reabsorción, de tal manera que la orina definitiva representa un volumen final aproximado de 1,5 litros al día. Las condiciones del glomérulo para permitir la salida de sustancias son: tamaño molecular limitado, escasa unión a proteínas y solubilidad en agua (polaridad). Las sustancias con alto coeficiente de partición lípido/agua no pasarán o serán reabsorbidas en el túbulo renal. Esto obliga al organismo, para deshacerse de muchos xenobióticos, a metabolizarlos con la introducción en su molécula de grupos funcionales (especialmente hidroxilos) que aumentan la polaridad, o a copularlos con sustancias portadoras que incrementen su hidrosolubilidad. Al primero de tales objetivos contribuye la gran cantidad de enzimas oxidasas presentes en el tejido renal. Los poros del glomérulo poseen un diámetro del orden de los 70 nm, que permite el paso de sustancias de peso molecular de hasta 70.000, como la albúmina. Por ello, en condiciones normales, es decir, cuando no hay lesión glomerular, no pueden salir con la orina ni las proteínas plasmáticas, ni los tóxicos, especialmente los metálicos, a ellas unidos; por ello sólo debe filtrarse agua y sustancias disueltas. El proceso de filtración se realiza gracias a que la presión hidrostática de la sangre en los capilares (75 mmHg) es superior a la suma de la presión oncótica (30 mm) y la capsular (20 mmHg). Por el mecanismo de secreción pasan de la sangre de los capilares peritubulares a la orina numerosas sustancias, fundamentalmente las ácidas y básicas y compuestos metálicos. Se trata de un mecanismo de transporte activo, con consumo de energía (ATP) y participación de sustancias transportadoras. Fundamentalmente ocurre en el tubo 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 75 TRÁNSITO DE LOS XENOBIÓTICOS EN EL ORGANISMO. TOXICOCINÉTICA 75 Figura 3.11. Excreción renal. proximal, aunque el amoníaco se secrete en el distal (Fig. 3.11). El proceso de reabsorción tiene lugar en los túbulos, preferentemente en el distal, y puede deberse a mecanismos de difusión pasiva o de transporte activo; es muy dependiente del pH. La reabsorción del agua, para reducir el volumen de orina, se realiza por difusión pasiva en el túbulo proximal: en el túbulo distal depende de la hormona antidiurética (ADH). Tanto en los túbulos proximales como en los distales pueden desarrollarse procesos de excreción o de reabsorción por difusión pasiva. Éste es un mecanismo potencialmente bidireccional, que se rige por la diferencia o gradiente de concentraciones a cada lado de la membrana; por ello es válido para sustancias no ionizadas o liposolubles. El pH puede influir en el fenómeno, pero lo hace más en la reabsorción por difusión que en la excreción; esto explica que la eliminación por difusión de xenobióticos ionizables, como los ácidos débiles, sea mayor cuando la orina está alcalina, ya que, entonces, la reabsorción es mínima; ello es aplicable en toxicología clínica (Fig. 3.12). Así, para tratar a un intoxicado por barbitúricos, se alcaliniza con bicarbonato, mientras que para forzar la eliminación de aminas, se acidifica, por ejemplo, con cloruro amónico. El pH de la orina oscila durante el día; por la noche es más ácida que de día; la producción de metabolitos polares también puede influir en el pH urinario. Todo lo cual supone variaciones en la cinética de la excreción urinaria (Tabla 3.3). 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 76 76 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Figura 3.12. Efecto del pH urinario sobre la reabsorción o excreción de una sustancia ácida ionizable; al contrario con compuestos básicos. Variaciones cinéticas según el pH urinario. Alto ↓ ↓ Bajo Alto ↓ Bajo ↓ Para compuestos básicos Velocidad metabolización ↓ Para compuestos ácidos Excreción urinaria ↓ pH orina ↓ Tabla 3.3. ↓ Excreción biliar y ciclo enterohepático Excreción y ciclo salivar A través de la bilis y merced a sus cualidades tensoactivas, el hígado excreta sustancias de elevado peso molecular (siempre mayor de 300), ya sean polares o apolares, no ionizadas, catiónicas o aniónicas. Normalmente la excreción se realiza contra un alto gradiente de concentraciones; por un proceso activo (con consumo de ATP y participación de glicoproteínas transportadoras) se logra gran concentración en la bilis donde las sustancias se hallan 20-500 veces más concentradas que en el plasma. Muchos fármacos se encuentran incambiados en la bilis, pero normalmente están conjugados con los iones glucuronato o sulfato. Sin embargo, el tóxico una vez en el intestino, puede volver a ser absorbido, a veces por liberación de los conjugados por acción de la flora intestinal; se establece así un ciclo (ciclo enterohepático) que impide o retrasa la eliminación de la droga por las heces y vuelve a provocar efecto; esta es la explicación del prolongado tiempo de acción de algunos productos, como el flunitrazepam, que a las doce o más horas de la ingestión, pasan nuevamente a la sangre, aunque en menor cantidad pues parte de la dosis se habrá metabolizado, y realizan de nuevo su acción (Fig. 4.19). La excreción por vía salivar es un tema de interés recurrente, sobre todo con fines analíticos, tanto con carácter toxicológico como de monitorización, especialmente por la facilidad de obtención de la muestra. En ella se encuentran los fármacos hidrosolubles y en forma libre. La saliva es un ultrafiltrado del fluido intersticial, cuyo 99 % es agua, con un pH de 5,8-7,0 en la humana, aunque por estimulación de la secreción aumenta la proporción de bicarbonato y sube el pH hasta 8,0. Es producida por distintas glándulas bucales, en diferente proporción: la submandibular secreta un 65 % del total, las parótidas el 23 %, la sublingual el 4 %, y el resto por otras pequeñas glándulas; también la composición varía ligeramente de unas a otras. La secreción de saliva es incrementada o disminuida por numerosos agentes tanto físicos (calor), químicos (sabores ácidos y salados), farmacológicos (colinérgicos o anticolinérgicos), como psicológicos (visión o imaginación de alimentos o sensaciones agradables o, por el contrario, desagradables, ansiedad o estrés), lo que influye en la concentración de los xenobióticos en ella. El paso de sustancias desde la sangre a la saliva exige a aquellas atravesar, al menos, cinco barreras 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 77 TRÁNSITO DE LOS XENOBIÓTICOS EN EL ORGANISMO. TOXICOCINÉTICA celulares (Haeckel et al., 1989), lo que les impone unas condiciones de tamaño o peso molecular e hidro o liposolubilidad bastante estrictas. Obviamente, como ya hemos visto, la hidro o liposolubilidad depende del grado de ionización, y éste del pH del medio. En consecuencia de todo ello, la excreción de xenobióticos por la saliva, en relación con la concentración de la fracción libre de los mismos (no de la unida a proteínas) en la sangre, varía mucho de unos a otros y con el pH de la saliva. En condiciones normales, la relación saliva/plasma es menor que 1 para compuestos ácidos (p.ej. fenobarbital), igual a 1 para las neutras o ácidas o básicas débiles (p.ej. etanol, paracetamol) o mayor que 1 para sustancias básicas (p.ej. anfetamina, metadona, codeína) (Haeckel y Häeneckel, 1996). La presencia en saliva de sales metálicas (de plomo, mercurio, etc.) que forman sulfuros muy estables con ácido sulfhídrico (formado en la putrefacción de restos alimenticios) origina, en personas poco higiénicas, depósitos oscuros en los dientes, conocidos como ribete de Burton, etc. La deglución de saliva con sustancias disueltas da lugar a una nueva absorción, que establece el llamado ciclo salivar, de menor trascendencia cuantitativa que el enterohepático. 77 Redistribución post mórtem Tradicionalmente se venía asumiendo que en el cadáver no había ni absorción ni desplazamiento de los xenobióticos, pero se ha visto que un líquido introducido en el estómago de un cadáver puede pasar a la sangre, así como sustancias que estaban en la sangre o en los órganos pueden pasar de un compartimiento a otro; la salida a través de las paredes gástricas hacia zonas o tejidos próximos, no por vía hemática, recibe el nombre de difusión post mórtem. Hemos visto que durante la vida, numerosas sustancias se fijan o acumulan en distintos órganos, principalmente los órganos huecos como tracto gastrointestinal, pulmones, miocardio etc. y también hígado, músculos y tejido adiposo, que han sido denominados reservorios de fármacos (Hilberg, Bugge et al., 1992; Pelissier-Alicot et al., 2003). Pues después de la muerte, las sustancias pueden emigrar como consecuencia de dos mecanismos de difusión: uno a lo largo de los vasos sanguíneos y otro a través de las paredes de los órganos hacia las zonas próximas. Desde antiguo se conoce el fenómeno llamado de hipostasis, consistente en la sedimentación o acumulación de sangre y plasma y su contenido en las zonas más bajas del cuerpo, según la posición Redistribución post mórtem del etanol en decúbito supino CONCENTRACIÓN (g/kg) 3,5 3 2,5 2 1,5 72 48 1 24 2 0,5 0 Figura 3.13. Evolución de las concentraciones de alcohol en cadáver de rata con el tiempo (Hidalgo y Repetto, 1998). 0 bro zón ígado ulmón Cere Cora P H ulo Sangre Músc TIEMPO (horas) 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 78 78 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL del cadáver. Pero además, a lo largo de las primeras 24 horas se instaura el llamado rigor mortis, por contracción de los músculos hasta que se consume el ATP, que incluye una contracción o sístole del miocardio ventricular como consecuencia de la cual se producen pequeños movimientos de sangre del corazón hacia la vena cava superior y venas del cuello. Por otra parte, al iniciarse la putrefacción se origina una presión intraabdominal que obliga a la sangre presente en la aorta abdominal a refluir hacia la aorta torácica, pasando por la vena cava inferior, aurícula derecha, vena cava superior, cavidades derechas del corazón y venas pulmonares. Posteriormente, cuando desaparece el rigor mortis, los gases de la putrefacción distienden las paredes abdominales y el diafragma, lo que induce un reflujo de sangre hacia las venas periféricas. Todo este fenómeno ha sido denominado incorrectamente circulación sanguínea post mórtem , y aunque no sea demasiado intenso puede ser capaz de inducir desplazamientos de los fármacos. Además, la putrefacción provoca una progresiva destrucción y aumento de la permeabilidad de las membranas tisulares (Luna, 1989). Las sustancias presentes en el estómago del cadáver se difunden rápidamente hacia las cavidades cardíacas izquierdas, aorta, cavidades cardíacas derechas y vena cava inferior. Y a través de las paredes del estómago pueden difundirse hacia el lóbulo inferior del pulmón izquierdo, margen izquierdo posterior del hígado e incluso hasta la parte posterior del lóbulo derecho, cuando el cadáver está en posición supina. También pueden alcanzar al líquido pericárdico y al miocardio (Hidalgo y Repetto, 1998) (Fig. 3.13). Los pulmones, que ya vimos que acumulan bases débiles lipófilas que reciben desde el ventrículo derecho, hacia las dos horas tras la muerte provocan un aumento de las sustancias en las cavidades cardíacas y en los vasos torácicos. Además, las vías aéreas pueden contaminarse durante el vómito o por regurgitación durante la agonía e incluso en el cadáver o por relajación del esfínter gastroesofágico (cardias) al tiempo del rigor mortis, lo que se favorece con la posición supina del cuerpo. Esta contaminación puede ocasionar un aumento de las concentraciones en sangre, como se ha descrito para etanol, paracetamol y propoxifeno (Pounder y Yonemitsu, 1991). Los fármacos acumulados en el hígado pueden redistribuirse a través de las venas hepáticas a la vena cava inferior y de ahí a las cavidades cardíacas y venas pulmonares o a la sangre periférica. Por su parte, como vimos más arriba, el hígado del cadáver recibe sustancias por redistribución desde el tracto gastrointestinal que le queda muy próximo. También sabemos que los compuestos muy lipófilos (como los orgánicos volátiles y anestésicos) se acumulan en vida en el tejido adiposo, por un simple mecanismo de disolución en las grasas neutras, proceso muy lento a causa del débil flujo de sangre en este tejido, pero el depósito puede continuar después de la muerte y contribuir a la disminución de la concentración en sangre. Un ejemplo del mayor interés es el de los cambios de las concentraciones sanguíneas postmorte de la morfina y sus glucurónidos. Según Sawyer y Forney (1988) las concentraciones de morfina libre y morfina total en rata aumentan significativamente tras la muerte en sangre cardiaca, tejido cardíaco e hígado, con máximos a las 96 horas. Una de las razones de estos cambios está en las variaciones que experimenta el pH intracelular y el plasmático. Téngase en cuenta que durante el proceso agónico, al perderse capacidad para el transporte del oxígeno, se inicia la hipoxia tisular, se interrumpen los procesos aeróbicos que se sustituyen por los anaeróbicos, cuya glucolisis conduce a una acumulación de ácido láctico y de fosfato inorgánico, con disminución del pH intracelular. Esta acidificación del medio favorece la acumulación de fármacos básicos en las células. Al inhibirse, por la hipoxia, la fosforilación oxidativa y la producción de ATP, se paraliza la bomba de sodio, el cual se acumula en la célula al par que se libera potasio; por efecto osmótico, la célula se hincha, estalla y vierte su contenido, liberándose las enzimas lisosomales que emprenden la hidrólisis y digestión de los componentes celulares próximos. Ello conduce a la desintegración (histolisis) de las barreras anatómicas, aumentando la permeabilidad. Posteriormente, cuando los procesos putrefactivos están muy avanzados, el pH vuelve a ascender. Según Drummer (2004), anfetaminas, metadona y otros opióides aumentan su concentración en la sangre post mórtem. Se estima que el proceso es como un regreso del fármaco al compartimiento central que puede valorarse por el cociente: 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 79 TRÁNSITO DE LOS XENOBIÓTICOS EN EL ORGANISMO. TOXICOCINÉTICA Coeficiente de redistribución = Concentración en compartimiento central = —————————————————— Concentración en compartimiento periférico En conclusión, los xenobióticos lipófilos de carácter básico débil con gran volumen de distribución (Vd) son proclives a experimentar redistribución postmorte, a consecuencia de la hipostasia, rigor mortis, histolisis y permeación, cambios del pH y del estado de ionización de los fármacos, etc. Consecuentemente, dependiendo de la concentración de xenobióticos en estómago, pulmones, tejido graso u otros reservorios, y del tiempo transcurrido desde la muerte hasta la toma de las muestras, se producirá mayor o menor redistribución de los xenobióticos, que dificulta la correcta interpretación de los análisis toxicológicos. Por todas estas razones, a efectos de estudios en Toxicología Forense, se viene proponiendo que las tomas de sangre en cadáveres se realicen de la vena femoral, después de ligarla en la zona inguinal (al objeto de evitar contaminación desde el abdomen), dado que esta vena, por su situación periférica, está relativamente menos afectada por la redistribución. Así mismo, se recomienda el empleo del humor vítreo, dado que su escasa irrigación y la protección que proporciona al globo ocular la estructura ósea del cráneo, preservan bastante tiempo la concentración de los xenobióticos en dicho fluido, muy próxima a la sanguínea sistémica. TOXICOCINÉTICA Entendemos por Toxicocinética el estudio cuantitativo de los procesos que experimenta, en función del tiempo, un xenobiótico en un organismo vivo. Este xenobiótico, o sustancia extraña al individuo considerado, sufre unos procesos de absorción (o llegada a la sangre), distribución, localización, metabolismo y excreción, susceptibles de un tratamiento cinético o evaluación matemática con relación al tiempo. No se considera, pues, el efecto de ese tóxico sobre el individuo, materia propia de la Toxicodinámica. En síntesis, los procesos farmacocinéticos se resumen en el anagrama LADME propuesto por Ristchell (liberación, absorción, distribución, metabolismo y excreción), integrando lo conocido como disposición o disponibilidad. 79 Como se deducirá a lo largo del capítulo, existen importantes diferencias entre Farmacocinética y Toxicocinética, especialmente en lo que se refiere a biotransformaciones, distribución, lugares de acumulación o fijación, saturación de mecanismos por las altas concentraciones tóxicas, etc. Debemos advertir que, como se indica en el Glosario, utilizamos el término fármaco en su sentido más amplio, es decir, para referirnos a cualquier producto que puede ser absorbido por un organismo, difundirse en él y producirle cambios, favorables o no, es decir, no solo para aludir a los productos empleados para el tratamiento de enfermedades, o medicamentos. Los trabajos de Dost (1953) revalorizaron los estudios efectuados por Torson Teorell en 1937 con los primeros tratamientos matemáticos de los procesos que siguen los fármacos en el organismo, y que en la actualidad han cobrado una importancia extraordinaria, no sólo por lo que suponen de avance científico en el conocimiento de los procesos tóxicos en general, sino porque el Consejo de la Unión Europea recomendó que la documentación para el registro de nuevas especialidades farmacéuticas incluyera el estudio farmacocinético de las mismas. Estos estudios parten del establecimiento de unos modelos toxicocinéticos, lo más sencillos posible, y susceptibles de interpretarse matemáticamente. En estos modelos se considera el organismo dividido en compartimientos. En la Web http://www.iupac.org/publications, dentro de Chemistry and Human Healths , puede consultarse el glosario de términos usados en toxicocinética, recomendado por la IUPAC (Nordberg et al., 2004). Modelos compartimentales Cuando un producto dado no presenta afinidad especial ni es retenido por ningún tejido, sino que se difunde instantáneamente a toda la masa corporal, podemos estimar que el organismo funciona como un único compartimiento (modelo monocompartimental). Por el contrario, cuando el producto se distribuye lentamente y lo hace de forma no homogénea, concentrándose en unos tejidos más que en otros, se deben considerar dos o más compartimientos; de ellos, el central canaliza prin- 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 80 80 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Distribución Equilibrio Ingreso Figura 3.14. Modelo monocompartimental. cipalmente los procesos cinéticos, mientras que el o los compartimientos periféricos retienen el tóxico a distintas concentraciones (modelos bi o multicompartimentales) (Figs. 3.14 y 3.15). Habitualmente se trata de reducir el problema a modelos mono o bicompartimentales. Cuando se pretende calcular exactamente las velocidades y volúmenes de distribución es preciso utilizar el modelo correcto, pero cuando lo que interesa es determinar la biodisponibilidad, y el comparti- miento periférico no es desproporcionalmente mayor que el central, puede usarse un modelo monocompartimental. Si se producen grandes retrasos en establecer el equilibrio de concentraciones o cuando hay especiales retenciones en algunos tejidos, hay que utilizar el modelo bicompartimental. El número de compartimientos que pueden considerarse es muy grande, distinguiéndolos según dos criterios fundamentales: a) Riego sanguíneo: Como los xenobióticos son transportados por la sangre, los órganos más vascularizados recibirán (y eliminarán) los productos con mayor velocidad y cantidad. Téngase en cuenta que hay tejidos más irrigados que reciben 2 ml sangre/g de tejido/minuto, mientras a otros sólo llega 0,05 ml más o menos. b) Características fisicoquímicas de los diferentes tejidos que presentarán distinta afinidad a los tóxicos, dependiendo de los coeficientes de reparto y la capacidad del producto para unirse con proteínas o lípidos tisulares. De forma elemental se pueden tener en cuenta los siguientes compartimientos que hacen de depósito de los xenobióticos: 1. Proteínas plasmáticas circulantes. 2. Proteínas tisulares o intracelulares. 3. Acidos nucleicos. 4. Lípidos celulares. Distribución Compartimiento central Ingreso Xenobiótico Compartimiento periférico Eliminación Equilibrio Figura 3.15. Modelo bicompartimental. 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 81 TRÁNSITO DE LOS XENOBIÓTICOS EN EL ORGANISMO. TOXICOCINÉTICA Los tres primeros compartimientos retienen xenobióticos por absorción mediante enlaces relativamente estables (enlaces iónicos, de hidrógeno, ion-dipolo, dipolo-dipolo, fuerzas de Van der Waals, etc.), pero reversibles. En los lípidos celulares los xenobióticos se disuelven conforme a su coeficiente de reparto y se retienen por enlaces no-iónicos y fuerzas de Van der Waals. Como continuación de los estudios de Haggard (1920) sobre la absorción, distribución y eliminación del éter etílico, algunos autores (Igari et al., 1982; Gerlowski, 1983), consideran lo que llaman compartimientos fisiológicos, referidos a un órgano o tejido, en concreto, con una clara significación anatómica y que, para ellos, supera el error de la farmacocinética clásica de admitir que un compartimiento formado por varios órganos o tejidos es capaz de alcanzar rápidamente el equilibrio de concentraciones. Los compartimientos fisiológicos están formados por tres subcompartimientos: a) Sección vascular (arterial, venoso y linfático), que permite la irrigación sanguínea y la excreción. b) Contenido intracelular, de las células propias del órgano. c) Espacio intersticial, ocupado por líquido acuoso. Así, se acepta que los modelos verdaderamente fisiológicos describen el cuerpo como constituido por compartimientos realmente anatómicos, es decir, órganos, que ofrecen una unidad de volumen, flujo sanguíneo y características de solubilidad de cada xenobiótico. Según esto, podrían estimarse los siguientes compartimientos: — Plasma, hematíes. — Órganos bien irrigados: riñón, corazón, hígado, pulmón y aquellos cuya especial característica es la proporción de lípidos: cerebro y médula espinal. — Tejidos poco irrigados: piel, músculos, tejido adiposo. — Tejidos con irrigación mínima: huesos, dientes, pelos, uñas, cartílagos. Aunque en teoría deberían considerarse tantos compartimientos como tipos de células, en la práctica toxicológica se reducen a 4: 81 1, sangre; 2, vísceras muy irrigadas; 3, tejido adiposo, y 4, huesos, pelos y uñas (faneras). Sin embargo, los tejidos con irrigación mínima, de escaso interés en farmacocinética, no pueden despreciarse desde el punto de vista toxicológico, porque actúan como depósito de tóxicos como arsénico (uñas, pelo), plomo (huesos), paraquat (cartílago), organoclorados (tejido adiposo), etc. El modelo bicompartimental supone un compartimiento central y otro periférico. El primero está constituido por la sangre y fluidos intersticiales; en él se producen los principales procesos de biotransformación. En conjunto, funciona como un modelo monocompartimental, en cuyo seno la distribución del xenobiótico es instantánea. El compartimiento periférico actúa principalmente como depósito, ya que no se relaciona directamente con el exterior (normalmente no absorbe ni excreta) ni biotransforma, aunque lo depositado en piel, pelo, uñas, etc., se elimine al recambiarse estos órganos. Aunque no puede establecerse delimitación exacta, se considera que el compartimiento central está integrado por los sistemas digestivo, pulmonar y renal, cerebro, corazón y glándulas de secreción interna; mientras que el tejido adiposo, el muscular y el cutáneo forman el compartimiento periférico (Fig. 3.15). Desde un punto de vista práctico podemos considerar que: El compartimiento central es aproximadamente el 10 % del peso corporal; está constituido por el agua plasmática intersticial e intracelular fácilmente accesible, y se representa por la sangre circulante. El compartimiento periférico, integrado por el agua intracelular difícilmente accesible y depósitos tisulares, es aproximadamente el 70 % del peso. Puede subdividirse en uno superficial (de fácil intercambio) y otro profundo (menos permeable al fármaco). Para los cálculos toxicocinéticos se manejan, además del tiempo, unos parámetros fisiológicos y otros fisicoquímicos entre los que destacan los siguientes: Parámetros fisiológicos: peso y volumen corporal, volumen del compartimiento, volumen y flujo sanguíneo, ritmo respiratorio. Parámetros fisicoquímicos: coeficiente de partición del xenobiótico considerado en tejido/sangre y aire/sangre, constantes de absorción, distribución y eliminación y constantes de biotransformación. 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 82 82 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Digamos por último, que un compartimiento debería considerarse no como algo homogéneo, sino como un «promedio»; por su parte. un modelo es una abstracción del sistema, en el que se destacan los aspectos más importantes para el investigador, y de forma que se puedan expresar en términos matemáticos. Así el modelo sería la ecuación o serie de ecuaciones capaces de describir el sistema propuesto. Los diagramas no son modelos, sino su representación gráfica. Aplicaciones de la toxicocinética Podemos destacar las siguientes: 1. Estimación de las velocidades de absorción, metabolismo y eliminación de los xenobióticos, y del grado de unión de éstos a las proteínas transportadoras, así como elaboración de modelos que permitan interpretar tales datos frente a distintas condiciones fisiológicas, patológicas o ambientales. 2. Conocimientos que permitan disminuir la biodisponibilidad de los tóxicos absorbidos, para su aplicación terapéutica. 3. Favorecer la interpretación clínica de las determinaciones de los xenobióticos en muestras corporales, y bases más científicas para la recogida de éstas. 4. Cálculo de la capacidad límite de metabolismo o excreción de un tóxico. 5. Estudio de la interacción de xenobióticos entre sí y con los alimentos. 6. Detección y explicación de algunas reacciones indeseables de los medicamentos. 7. Predicción de la acumulación y transferencias de compuestos químicos entre los seres vivos y el medio ambiente (ecotoxicología). Diferencias entre farmacocinética y toxicocinética Como se deducirá a lo largo de este capítulo, existen importantes diferencias entre ambas, que derivan, fundamentalmente, de que las dosis tóxicas son más altas que las terapéuticas, lo que frecuentemente da lugar a: 1) Saturación de distintos procesos cinéticos; 2) producción de lesiones por los tóxicos en los órganos de absorción, biotransformación o excreción, lo que altera estas funciones; 3) fijación o almacenamiento de muchos tóxicos en ciertos tejidos, como huesos, uñas o pelos, sin interés en Farmacología pero importantes en Toxicología, y 4) que los estudios farmacocinéticos se realizan sobre plasma y orina, mientras que en los toxicocinéticos se usan también la sangre total (porque muchos tóxicos son liposolubles o van unidos a los hematíes), el aire espirado y las vísceras, además de las faneras citadas de gran interés en toxicología forense. En relación con las altas dosis propias de los fenómenos y ensayos toxicológicos de carácter agudo, debemos tener en cuenta: a) Grandes cantidades de producto pueden presentar problemas de solubilidad, tanto en la preparación como en la administración de las disoluciones, que a veces alcanzan elevados volúmenes, difíciles de administrar o de absorber; igualmente dan lugar a precipitación o inestabilidad de la sustancia en la disolución o en el medio interno. b) Las elevadas concentraciones del tóxico suelen lesionar y producir necrosis en los lugares de administración y alterar el proceso de absorción. c) Las altas dosis saturan las proteínas plasmáticas y afectan a la distribución del xenobiótico. d) Igualmente, la concentración del sustrato puede saturar los mecanismos de biotransformación presistémicos y sistémicos y dar lugar a parámetros de biodisponibilidad muy diferentes de los que se obtienen con concentraciones más bajas. e) Asimismo, se satura el aclaramiento, tanto presistémico como el renal (especialmente los de secreción activa) y en los otros órganos. Por ejemplo, cuando la dosis i.v. de dioxano en rata se eleva de 3 mg a 1.000 mg/kg, el área bajo la curva aumenta 5.000 veces. Pero las principales diferencias se producen en el método y los objetivos de los estudios farmacocinéticos y los toxicocinéticos (Welling, 1995). Mientras que los estudios farmacocinéticos y farmacodinámicos se realizan conforme a protocolos y «puntos finales» o indicadores bien establecidos, los toxico- 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 83 TRÁNSITO DE LOS XENOBIÓTICOS EN EL ORGANISMO. TOXICOCINÉTICA lógicos no pueden disponer de ellos, porque los efectos tóxicos son frecuentemente impredecibles. Por otra parte, los ensayos farmacocinéticos se inician con animales y se terminan en humanos, pero los toxicocinéticos se efectúan casi siempre sólo en animales y raras veces con humanos. En cuanto a los objetivos, la Farmacocinética persigue contribuir a la óptima definición de la actividad de un medicamento, mientras que la Toxicocinética busca los efectos de la «exposición», y predecir el riesgo y la tolerancia. CINÉTICA DE LA ABSORCIÓN Se define la absorción de un xenobiótico como su entrada en el torrente circulatorio, lo que es diferente de la acepción vulgar de la palabra, que la hace sinónima de ingestión o inhalación. En el modelo monocompartimental se estima que es total e instantánea en la inyección intravenosa. Otra veces el xenobiótico debe atravesar varias membranas antes de pasar a la sangre (casos de la administración oral, intramuscular, etc.). La absorción por vía inhalatoria es de tipo intermedio. Recordemos que las membranas celulares, al estar constituidas por una elevada proporción de lípidos, significan una gran barrera para el agua y los productos hidrosolubles. Por el contrario, las sustancias liposolubles se difunden a través de la membrana con tanta mayor facilidad cuanto mayor es su coeficiente de partición lípido-agua, dentro de unos límites. Las sustancias que se ionizan se hacen más hidrosolubles, por lo que los cambios de pH del medio que favorezcan la ionización dificultan la absorción. De ahí la diferente facilidad de absorción de una sustancia en diferentes puntos del tracto gastrointestinal. La velocidad con que se produce la absorción, o sea, la cantidad de producto que pasa a la sangre por unidad de tiempo, puede corresponder a dos órdenes cinéticos diferentes: a) La velocidad es constante e independiente de la cantidad de producto que queda por absorber: Cinética de orden cero. b) La velocidad es decreciente, pues es función del xenobiótico presente o restante por absorber: Cinética de primer orden o exponencial. Es la ciné- 83 tica cumplida por la mayoría de los xenobióticos. Las farmacocinéticas más frecuentes, tanto en la absorción oral como en la percutánea, pertenecen al orden 1 o exponencial, mientras que la inhalación de gases ambientales o en anestesia, la perfusión gota a gota, la absorción de medicamentos de liberación retardada y las intoxicaciones por dosis altas siguen cinética lineal de orden 0. Si Qo es la cantidad de moléculas iniciales, Q la remanente por absorber en cualquier momento y Ka es una constante que incluye las características anatómicas del tejido (irrigación, tipo de pared, etc.), y las fisicoquímicas del producto (solubilidad, etc.), la cantidad de moléculas absorbidas por unidad de tiempo se puede calcular por: dQ n  = K Qo dt (1) donde Qo es la cantidad inicial de sustancia y Q la remanente, K es la constante del proceso (constante de absorción, Ka) y n es el orden del proceso, de forma que, cuando es de orden cero. La constante K se puede expresar en mg/h. dQ  = Ka dt (2) y para un proceso de primer orden: dQ  = KaQo dt Como Q va disminuyendo, el proceso tiene signo negativo: dQ  = – KaQo dt (3) de donde, al tiempo t, la cantidad Q t en ese momento, será: Qt = Qo  e–Ka · t (4) y el ln Qt = ln Qo – Ka t, y pasando a log decimales (factor = 2,303): (5) Ka log Qt = log Qo –   t (6) 2,303 Estas mismas expresiones permiten calcular las concentraciones, sin más que cambiar Qt y Qo por Ct y Co. 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 84 84 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Figura 3.16. La representación gráfica de un proceso de absorción de orden 0 es una recta; de orden 1 es una curva exponencial, cuya representación semilogarítmica la transforma en una recta. Figura 3.17. Modelos hidráulicos de Garret; sirven para explicar los procesos, considerando la velocidad de disminución de la altura del líquido. 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 85 TRÁNSITO DE LOS XENOBIÓTICOS EN EL ORGANISMO. TOXICOCINÉTICA El proceso de absorción puede representarse gráficamente poniendo en ordenadas las cantidades absorbidas, o las concentraciones hemáticas alcanzadas, frente al tiempo en el eje de abscisas. Se obtienen curvas muy diferentes según que el proceso se verifique conforme a una cinética de orden cero o de primer orden. En el primer caso se obtiene una línea recta. En el segundo caso (el más frecuente, porque la absorción es función del producto restante) la curva es exponencial, que puede transformarse en recta si la representación se realiza en escala semilogarítmica (Fig. 3.16). La diferencia fundamental entre ambos tipos de procesos se comprende muy bien con los modelos hidráulicos de Garret (Fig. 3.17). Con frecuencia, las representaciones gráficas reciben el nombre de curvas plasmáticas, lo cual sólo es verdad cuando las determinaciones se realizaron sobre plasma. Pero para este menester, en ocasiones, no es útil ni el plasma ni el suero, sino la sangre total, porque el xenobiótico va unido a los hematíes (caso del plomo y aniones) (véase «difusión»). Al representar en forma semilogarítmica frente al tiempo estas ecuaciones, se obtienen curvas cuya pendiente es – Ka/2,30, correspondiendo a Qo el punto de intersección de la recta con el eje de ordenadas. Lógicamente en estas condiciones no se ha tenido en cuenta el retorno de parte del producto al lugar de absorción desde la sangre. La constante de absorción, Ka, nos informa sobre la velocidad con que se absorbe el xenobiótico (o lo que es igual, la probabilidad que tiene una molécula de absorberse en la unidad de tiempo). Así, si sabemos que dos sustancias tienen sus Ka respectiva- Figura 3.18. Evolución de concentraciones entre dos compartimientos cerrados, hasta alcanzar el equilibrio. 85 mente iguales a 0,05/h y 0,5/h, entendemos que de la primera se absorbe en una hora el 5 % de moléculas disponibles, y de la segunda el 50 %; en este caso de Ka = 1/2 por hora, al ser el antilogaritmo de 2 = 0,693, el cociente 0,693/Ka = ta 1/2 recibe el nombre de vida media o semivida de absorción, tiempo que tarda en reducirse a la mitad el número de moléculas disponibles para ser absorbidas. Cuando se considera una gráfica toxicocinética debe observarse primeramente si la administracion se produjo por vía intravascular (i.v.) o extravascular (oral, percutánea, etc.). En el primer caso, al ser la absorción instantánea, la curva se inicia en valores positivos sobre el eje de ordenadas; en el segundo caso, la curva nace del cero de coordenadas y va subiendo hasta alcanzar un máximo. Cuando se admite un modelo monocompartimental donde la absorción y distribución son muy rápidas, este tramo de curva es casi vertical, mientras que en los modelos multicompartimentales está más inclinada. No es fácil calcular la cantidad que fue absorbida. Cuando el producto se elimina por vía renal totalmente inalterado, se puede calcular estimando la cantidad excretada a lo largo de 5 vidas medias. En otros casos se expresa mediante el área bajo la curva de niveles hemáticos o de excreción urinaria. Sistema cerrado de dos compartimientos Si están comunicados dos compartimientos, A y B, y por gradiente de concentraciones pasa, por difusión, un producto del A al B, la evolución de las respectivas concentraciones en el tiempo será el representado en la Figura 3.18. 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 86 86 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Figura 3.19. Evolución de concentraciones en un sistema abierto (con eliminación). Sistema abierto de dos compartimientos Sea ahora un modelo de dos compartimientos (Fig. 3.19), pero en sistema abierto, es decir, hay pérdidas por eliminación, por lo que no llega a alcanzarse el equilibrio entre A y B. D = Coeficiente de difusión. A = Área en que se produce la difusión. dC Gradiente de concentración en función = dx de la distancia, dx. CINÉTICA DE LA DISTRIBUCIÓN O TRANSPORTE Cinética general en modelo monocompartimental Una vez que el xenobiótico está en la sangre, ésta lo transporta y distribuye por todos los tejidos corporales, de acuerdo con la irrigación de éstos y en función del coeficiente de reparto de la sustancia. En el modelo monocompartimental abierto, el más sencillo, se acepta que la distribución del xenobiótico se produce instantáneamente a todos los fluidos y tejidos del organismo, y, aunque no se presupone que la concentración sea homogénea en todos ellos, se considera que los cambios en la sangre se reflejan cuantitativamente en los otros fluidos y tejidos. La complejidad de un modelo multicompartimental se evidencia en la Figura 3.20. La difusión del xenobiótico viene afectada por el «el volumen de distribución» (véase más adelante). En los procesos reversibles de primer orden, la transferencia de un fármaco obedece a la primera ley de Fick, según la cual el flujo, es decir, la cantidad de sustancia que se difunde por unidad de tiempo a través de una unidad de área colocada perpendicularmente a la dirección de la difusión, es directamente proporcional al gradiente de concentraciones. La Ley de Fick se expresa matemáticamente como: dQ dC (7)  = –D  A   dt dx donde dQ es la cantidad de xenobiótico difundido (o salido del compartimiento) por unidad de tiempo. Consideremos un tóxico en la sangre en una cantidad Q, que se está eliminando o desapareciendo de ella a una velocidad constante Kel: Q E Kel Se acepta que las transferencias de xenobióticos entre los diferentes compartimientos se realizan según una cinética de primer orden (Swintosky, 1956). Según esto, la cantidad que sale de un compartimiento o se elimina (sale del organismo) por unidad de tiempo es función (o proporcional) de la cantidad Q que quede, de forma que: dQ (8)  = –Kel  Qo dt con signo negativo para significar que se trata de un proceso de eliminación. De (8) dQ  = –Kel  dt QO  Q Qo  dt, t dQ\ Qo= –Ke Q = Qo  e–Kel  t o de donde: (9) donde Qo es la cantidad inicial, y e es la base logarítmica. 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 87 TRÁNSITO DE LOS XENOBIÓTICOS EN EL ORGANISMO. TOXICOCINÉTICA 87 Figura 3.20. Modelo multicompartimental para el cadmio, según Marcus, 1982. Por otra parte, si determinamos un xenobiótico en la sangre, su concentración C es proporcional a la cantidad del mismo en todo el organismo, y podríamos aceptar que su disminución con el tiempo será: dC  = –Ke1 · Co dt y En la administración i.v., Co es la concentración teórica en t = 0, o momento de la inyección, y se obtiene por extrapolación en la representación semilogarítmica; pero en las administraciones extravasales es un valor hipotético. Estudiando las administraciones extravasales (inhalatoria, oral, percutánea, rectal, etc.) en modelos monocompartimentales, tendríamos: A -Ke  t C = Co e (10) Q Ka E Kel 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 88 88 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL donde A, Q y E representan, las cantidades o concentraciones que se absorben, están en el compartimiento o se eliminan en un mismo momento. La cantidad absorbida por unidad de tiempo será dA/dt, siendo Ao la dosis o cantidad administrada: –Ka · t log A =  + log Ao 2,303 donde A puede ser la cantidad que en cada momento hay en el lugar en que se produce la absorción (zona de la inyección, estómago, duodeno, etc.) y que en animales puede, a veces, medirse directamente. Pero la Q que hay en el organismo en un momento dependerá de la A que queda por absorber y la de Q que se elimina: dQ  = Ka · A – Kel · Q dt que por integración nos lleva a: Ka Q = Ao  (e–Kel · t – e–Ka · t) Ka – Kel (11) o Ka C = Co  (e–Ke1 · t –e–Ka · t) Ka – Kel (12) Siendo Ke la constante de eliminación, tenemos en las expresiones anteriores que, la pendiente de la curva en el tramo de eliminación viene dada por e–Ke; representa la fracción de xenobiótico que queda en la sangre en un momento dado, respecto de lo que había una hora antes. Así, Ke = 0,266, e–Ke = e–0,266 = 0,77. Esto significa que en cada momento queda el 77 % del xenobiótico que había antes, o lo que es lo mismo, que en cada hora desaparece un 23 % de la concentración que queda. Cuando las curvas se transforman en rectas al dibujarlas de forma semilogarítmica, la inclinación de la recta es: –K/2,303 (Fig. 3.21). Cuanto más pequeña sea K y –K/2,303, y más próxima a 1 sea e–Ke, más lenta es la eliminación. Ésta será más rápida para valores e–ke pequeños y para los otros dos parámetros superiores a 1. La evolución de la concentración del producto en la sangre, a lo largo del tiempo, puede calcu- Figura 3.21. Curva de nivel hemático, por vía oral, modelo monocompartimental, y su representación en papel semilogaritmico. 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 89 TRÁNSITO DE LOS XENOBIÓTICOS EN EL ORGANISMO. TOXICOCINÉTICA larse por integración del producto C · dt, lo que matemáticamente es el área del espacio comprendido entre la curva de la representación gráfica de dicha evolución y el eje de abscisas; es lo conocido como área bajo la curva (Abc, en inglés AUC).  ∞ Abc = Cdt mg/ml/h (13) o El modelo monocompartimental es especialmente útil para el análisis farmacocinético de los datos de concentración en sangre, plasma o suero y de excreción urinaria de aquellos fármacos que se distribuyen rápidamente entre los fluidos y tejidos del organismo. En un modelo monocompartimental cualquier cambio de concentración en el plasma refleja cuantitativamente los cambios experimentados en las concentraciones tisulares. Por otra parte, en el modelo monocompartimental, la eliminación de un xenobiótico se realiza mediante una cinética de primer orden, o sea, que la velocidad de eliminación es, en todo momento, proporcional a la cantidad de producto presente en el organismo. La filtración glomerular y la difusión pasiva biliar son procesos de primer orden, mientras que la biotransformaclón, la secreción tubular y secreción biliar son procesos activos que sólo a concentraciones bajas cumplen cinéticas de primer orden. La representación gráfica semilogarítmica de la variación en el tiempo de la concentración hemática en un modelo monocompartimental se corresponde con la concentración del mismo producto en los tejidos de una forma paralela. Cinética en modelo bicompartimental La principal característica diferencial entre los modelos monocompartimentales y los multicompartimentales es la siguiente: en los primeros, la distribución del xenobiótico es instantánea (to), y tanto la absorción como la eliminación (o disminución de la concentración del producto) es lineal (aunque pueda ser línea recta o exponencial según que el proceso sea de orden cero o de primer orden). Por el contrario, en los sistemas multicompartimentales hay una fase distributiva, de difusión del fármaco a la sangre y de ésta a los 89 otros compartimientos, y después de retorno, y finalmente, de eliminación; cada una de estas fases se desarrolla a distinta velocidad, regida por diferentes constantes. La expresión matemática del proceso total viene dado por la suma algebraica de las fases parciales. La distribución del xenobiótico en los órganos constituyentes del compartimiento central es rápida, mientras que es lenta en el compartimiento periférico. Un sistema bicompartimental puede esquematizarse como se representa en la Figura 3.22: Figura 3.22. Distribución de un xenobiótico en un sistema bicompartimental. donde Qc y Qp son las cantidades de xenobióticos en cada compartimiento, Cc y Cp las concentraciones respectivas y Vc y Vp los correspondientes volúmenes de distribución ocupados por el producto en cada compartimiento. Las constantes K, que se suponen de primer orden, rigen respectivamente la absorción (K01) cuando la administración es extravascular, distribución (K12), retorno (K21) y, eliminación o excreción (K10). Estas constantes no pueden determinarse directamente a partir de los niveles sanguíneos o urinarios, por lo que se manejan unas constantes híbridas (α y β) de distribución y eliminación, proceso total denominado disposición. Tras la absorción de un xenobiótico, en el modelo bicompartimental se aprecia un retardo en el establecimiento del equilibrio de distribución, porque al principio la concentración sanguínea baja rápidamente, debido a la suma de la distribución y la eliminación (que comienza desde el primer momento) pero, cuando se alcanza el equilibrio de concentraciones entre los dos compartimientos, la 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 90 90 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL disminución de la concentración sanguínea es más lenta, pues sólo depende de la eliminación (metabolismo y excreción), fase irreversible que es una función exponencial simple del tiempo. Efectivamente, como veremos en las gráficas, las curvas de concentración hemática en sistemas bicompartimentales presentan tres fases: una de absorción y dos en el tramo de eliminación; de estas dos, la primera es de velocidad rápida, representativa del proceso de distribución en que el fármaco pasa del compartimiento central al periférico, y la segunda, más lenta, se desarrolla cuando se alcanza el equilibrio entre los compartimientos. Ambas fases están regidas por las constantes híbridas α y β que pueden relacionarse por las siguientes expresiones: α + β = K12 + K21 + K13 α · β = K13 · K21 La Figura 3.23 representa la evolución de las concentraciones hemáticas tras administración intravenosa, en los distintos modelos compartimentales; y la Figura 3.24 refleja las concentraciones hemáticas de un mismo xenobiótico, según sea la vía de absorción. El tramo de curva correspondiente a la fase de distribución, cuya recta representativa esté próxima a la vertical, sugiere gran velocidad en la disminución de la concentración hemática en sistemas multicompartimentales (pero no por eliminación sino por distribución a los órganos de acción y de acumulación), y es causa de frecuentes discordancias entre el estado clínico de un individuo y la concentración en sangre, lo que tiene gran importancia en la interpretación de resultados analíticos con fines forenses, clínicos y de monitorización terapéutica. Cuando se representa en forma semilogarítmica las concentraciones hemáticas obtenidas experimentalmente tras una absorción oral frente al tiempo, cada punto supone la resultante entre la cantidad absorbida y la eliminada hasta ese momento; en el tramo ascendente, que corresponde a la fase distributiva, la absorción supera a la eliminación, mientras que, a partir del máximo, refleja la fase de eliminación. Cuando la curva se refiere a un modelo monocompartimental, el tramo de eliminación es prácticamente recto, pero en un modelo bicompartimental presenta una zona cóncava ini- Figura 3.23. Evolución de las concentraciones hemáticas tras absorción i.v., en los distintos modelos compartimentales. Las curvas presentan una o varias pendientes. cial por no haberse establecido aún el equilibrio entre los compartimientos (Figs. 3.25 y 3.26). La extrapolación de la recta de eliminación hasta cortar el eje de abscisas señala la concentración en el tiempo cero (Co), y la pendiente de esta recta se conoce como β, que es la constante «híbrida» representativa de todo el proceso de desaparición del xenobiótico. Para calcular el valor de la constante general o híbrida que rige el proceso de absorción hay varios 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 91 TRÁNSITO DE LOS XENOBIÓTICOS EN EL ORGANISMO. TOXICOCINÉTICA 91 Figura 3.24. Curvas hemáticas de un mismo xenobiótico según la vía de administración. Figura 3.25. Curva de nivel hemático, tras administración oral. procedimientos. Uno de ellos se conoce como «método de los valores residuales» y se realiza como sigue: sobre la recta obtenida por extrapolación se proyectan (círculos blancos) los valores experimentales del tramo curvo (círculos negros), para los tiempos respectivos. Se tienen así dos valores de concentración para cada tiempo, cuya diferencia da un valor «residual» que en el tiempo respectivo produce un punto artificial representativo de las concentraciones que quedan en el punto de absorción; uniendo todos ellos tenemos una nueva recta que refleja la cinética de la desapari- 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 92 92 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Figura 3.26. Curva de la Figura 2.25 en forma semilogarítmica. ción del producto del lugar de absorción, y cuya pendiente es α (Fig. 3.26). Actualmente se utilizan programas informatizados para todos estos cálculos. Como se ha indicado ya, las curvas de evolución de la concentración en sangre presentan un tramo ascendente, representativo del proceso de absorción, y otro descendente, que engloba la difusión y la excreción o eliminación; cuando esas curvas se transforman en rectas mediante su representación semilogarítmica, la pendiente o inclinación del tramo de absorción se simboliza por la letra griega α, y la pendiente del segundo tramo por β; ambas son constantes híbridas que incluyen todos los procesos de difusión, retorno, metabolismo y excreción, por lo que se les denomina «constantes de disposición o disponibilidad. El cálculo puede hacerse matemáticamente, o por representación gráfica de la fórmula que nos da el valor de Co, pero, por estar sobre papel semilogarítmico, Co – B = A. Uniendo A con t, tenemos una recta cuya pendiente es α. Por tratarse de dos curvas exponenciales, sus expresiones matemáticas son: que había en el tiempo 0; B se refiere al compartimiento periférico. La concentración real en cualquier momento, C, es la suma de las concentraciones en los dos compartimientos. C=A+B luego: C = Ao · e–αt + Bo · e–βt (14) Ésta es la ecuación general de las curvas de nivel hemático en papel no logarítmico para xenobióticos cuya disponibilidad biológica se hace conforme un modelo bicompartimental. En esta representación no logarítmica, el área bajo la curva (Abc) es siempre la misma cualquiera que sea la vía de absorción, para dosis iguales y cuando la absorción es completa. Si la absorcion es incompleta, se puede calcular la fracción absorbida (F) según: Fracción dosis absorbida –βt B = Bo · e A = Ao · e–αt Area b.c. problema  , Area b.c. completa (15) Abc en admón. oral F =  , Abc en admón. iv. (16) o bien: A representa el exceso de producto que existe, en cualquier momento, en el compartimiento central, antes de establecerse el equilibrio; Ao es el 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 93 TRÁNSITO DE LOS XENOBIÓTICOS EN EL ORGANISMO. TOXICOCINÉTICA cuando las dosis son iguales, o bien: dosis iv. Abc (oral) F =  ×  (Abc (iv) dosis oral (17) Si queremos calcular las pérdidas de concentración del tóxico en el compartimiento central con respecto al tiempo, tendremos: Pérdidas por Pérdidas por dC eliminación +  = – distribución al – dt C. Periférico (biotransf. + excrec.) regido por K12 regido por K10 Ao · β + Bo · α K21 =  Co dC  = – (K12 – K10) C + K21 · P dt Co · α · β K10 =  Ao · β + Bo · α cuya integral es justamente: –αt C = Ao · e –βt – Bo · e podemos llegar a deducir los valores de las 3 K: Ao · Bo · (α – β)2 K12 =  Co (Ao · β + Bo · α) dQc  = + dt Ganancia por absorción (Ko1 · A) – Ganancia por retorno al C. Central regido por K21 luego: de 93 Pérdida por distribución (K12 · Qc) Cuando la administración no es intravasal, sino extravasal, hay que considerar el fenómeno de la absorción, que es no reversible, porque se hace a favor de gradientes. La dQ/dt de desaparición de producto en el compartimiento central, siendo A la cantidad remanente en el lugar de absorción y K01 la constante de absorción: – Pérdida por eliminación (K10 · Qc) + Ganancia por retorno (K21 · Qp) y puede llegarse a   K21 – Ko1 K21 – α K21 – β C = Co · Ko1  ·e–αt  ·e–βt  ·e–Ko1·t (Ko1 – α) (β – α) (Ko1–β) (α – β) (α – Ko1) (β – Ko1) que permite calcular la concentración plasmática del producto en cualquier momento, siendo Co la concentración inicial en la administración i.v. Podemos calcular la cantidad de sustancia Q o su concentración presente en al sangre: dQ dQ  = Ka· A – Kel · Q, o bien:  = –Kel · Q dt dt de donde: Q = Qo · Kel (19) C = Co · Kel (20) 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 94 94 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL BIODISPONIBILIDAD Los términos de biodisposición y biodisponibilidad se usan para indicar la velocidad y cantidad relativa del fármaco que alcanza intacto la circulación general. Por tanto, señala: — La cantidad de principio activo disponible en el lugar de acción. — La velocidad con que se hace disponible en este lugar. La biodisponibilidad absoluta de un producto se determina comparando los niveles sanguíneos y la excreción urinaria, después de una administración. Para determinar la biodisponibilidad relativa, se comparan dichos niveles hemáticos y/o urinarios de un producto con los de otro, absorbido por la misma vía. Cuando dos productos, administrados en la misma dosis, presentan la misma biodisponibilidad, se dice que son bioequivalentes. Consecuentemente, se define la biodisponibilidad como la fracción de la dosis absorbida que, en forma incambiada, alcanza los lugares de acción (receptores) o según Bender (1989), el porcentaje del xenobiótico absorbido capaz de ser utilizado, de forma que la biodisponibilidad B es: B = D ·  (F/I) TU donde D es el porcentaje de la dosis que puede transformarse en especies absorbibles;  (F/I) es la relación de sustancias que favorecen o inhiben la absorción, T el tanto por ciento del xenobiótico que es transportado, y U el porcentaje del transportado que es utilizado. Asimismo es igual a la fracción que ya hemos simbolizado con F, que puede tomarse como igual a 1 en la vía intravenosa, pero no en la vía oral y que disminuye después del primer paso metabólico. Ya hemos visto (16) que en sangre puede calcularse Abc (oral) F =  Abc (i.v.) También puede calcularse F a partir de las concentraciones en orina del producto original, cuando éste se elimina incambiado: % en orina de dosis oral F =  % en orina de dosis i.v. (21) En caso de que el xenobiótico se absorba totalmente y se elimine fundamentalmente por biotransformación hepática, tendremos: Dosis oral F =  Abc oral – Cl (22) siendo Cl el aclaramiento intrínseco hepático. Volumen aparente de distribución Se ha definido como un espacio virtual de distribución homogénea, donde un fármaco desarrolla una cinética idéntica. Este hipotético concepto trata de significar la cantidad de agua corporal o de sangre que sería precisa para contener el fármaco presente en el cuerpo si éste estuviese repartido uniformemente a la misma concentración. Pero, como se sabe que la concentración varía mucho de un tejido a otro, el citado volumen es sólo aparente, aunque se exprese en litros o m1, y sería la relación entre la cantidad de xenobiótico en el cuerpo y su concentración en la sangre o en el plasma. Por ello no es más que un factor que, al multiplicar por la concentración de fármaco en la sangre, da la cantidad total de producto en el cuerpo: Q mg Vd  =  mg = [L] C  1 El volumen de distribución depende de: Q =Vd · C; (23) a) El volumen de líquido en que se disuelve el xenobiótico, por lo que depende de cada producto y cada individuo. b) La fijación a los tejidos, con lo que la concentración será baja, pero el volumen grande. Así en la digoxina puede llegar a 400 litros. Cuando se construye experimentalmente una curva de concentraciones hemáticas o plasmáticas, tras una sola administración, y se prolonga hacia detrás la rama de eliminación, hasta que corte el eje de ordenadas en un punto que sería Co teórica en el 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 95 TRÁNSITO DE LOS XENOBIÓTICOS EN EL ORGANISMO. TOXICOCINÉTICA momento de la administración (Fig. 3.20), y se divide por esa concentración Co no la cantidad total de sustancia, Q, sino la dosis administrada, expresada en kg de peso corporal, lo que se obtiene es un factor (coeficiente de Vd o de reducción del peso corporal) que al multiplicarlo por éste nos da el volumen de distribución Vd, diferente para cada xenobiótico. Dosis Coef. Vd =  y Vd = coef. Vd × Kg (24) Co Si en un momento dado (t) se conoce Qt, (xenobiótico total en el cuerpo) y su concentración en sangre: Q Vd = t Ct (25) Otro procedimiento para calcular Vd es utilizando el valor del área bajo la curva (Abc). Después de una administración intravenosa, en un modelo monocompartimental, con cinética de primer orden, tenemos una curva hemática exponencial que, con los ejes, limita una zona que recibe el nombre de área bajo la curva (Abc). Esta superficie, desde el tiempo 0 al infinito, es una función lineal de la dosis, o de las concentraciones. Como: dQ  = –Ke · Q dt Esta ecuación sirve para cualquier vía de administración que permita una absorción completa de la dosis. Pero debe tenerse presente que el Vd cambia con las características fisicoquímicas del producto, unión a proteínas, función renal, metabolismo, etc. El concepto de área bajo la curva también resulta útil para el cálculo del aclaramiento (véase más adelante). El área bajo la curva puede calcularse por varios procedimientos: a) Usando un planímetro. b) Dividiéndola, por líneas verticales, en una serie de trapezoides y calculando el área según: 1 A =  (c + d)a 2 c) Por integración de C o de Q, entre t = 0 y t = ∞; C Abc = Cdt =  Ke d) En un modelo bicompartimental, donde la evolución de C es C = Ao e–αt + Bo eβt el área resulta ser: y aplicando la expresión (25), dQ  = –Ke · Vd · C dt Y como:  C = K · V · Abc pues la expresión  C equivale al área bajo t2 t1 dt e B A Abc =  +  α β (26) y la cantidad de producto que desaparece entre los tiempos t1 y t2 será: Qt1t2 = Ke · Vd d Qc , Vc =  C y en t = o, t2 t1 95 y Qp Vp =   C D osis Vc =  Co dt la curva (Abc) entre los tiempos t1 y t2 (13). Si se integra entre to y t∞, se tendría la Q total que se elimina: Q Vd =  Ke · Abc (27) en el estado de equilibrio, siempre que sea un proceso de primer orden: K · Qc = K12 · Qp K · C Vc = K21 · Qp luego y por tanto Qp K12  = Vc · , y esto es igual a Vp. C K21 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 96 96 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL En un modelo bicompartimental, en el estado de equilibrio, el volumen de distribución total es: VT = Vc + Vp, luego: K12 K12 = Vc(1 +  ), de donde V = Vc + Vc  K21 K21 K12 + K21 VT = Vc  K21 expresión que permite calcular el volumen de distribución total a partir de las curvas de nivel. De la fase exponencial (último tramo) de estas curvas puede calcularse de forma simplificada Vd extrapolando dicho tramo hasta el eje, para obtener un valor de concentración Bo, y Dosis Vd =  Bo Un hombre de 70 kg de peso corporal tiene aproximadamente 5,5 l de sangre, 3 l de plasma sanguíneo, 12 l de plasma extracelular y 42 l de agua corporal. Según las características fisicoquímicas de los xenobióticos, podemos distinguir tres grupos de éstos, en cuanto a su comportamiento en la fase de distribución. a) Productos muy hidrófilos (grupo pequeño), que una vez en la sangre no tienden a pasar al compartimiento periférico, quedándose en el central (sangre), con una distribución prácticamente monocompartimental (Vc > Vp). b) Grupo mayoritario de productos que pasan al compartimiento periférico en escasa proporción y no se fijan allí (consecuentemente su coeficiente de retorno K21 es mayor que K 12 ); experimentan una distribución bicompartimental en la que se alcanza rápidamente el equilibrio de concentraciones (Vc ≥ Vp). c) Productos que se reparten entre ambos compartimientos, con K de distribución y retorno similares, y con poca fijación en tejidos peri- féricos (K12 g K21); experimentan también distribución bicompartimental (Vc ≤ Vp). d) Productos que pasan fácilmente a compartimientos periféricos (K12 > K21) y se retienen allí en depósitos no acuosos en varios niveles; para ellos el volumen de distribución es superior al volumen de agua del organismo, y la evolución de las concentraciones hemáticas se corresponde a un modelo tricompartimental (Vc K Vp). CINÉTICA DE LA ELIMINACIÓN Este concepto incluye todos los procesos que contribuyen a disminuir la concentración de los xenobióticos en el organismo. Estos procesos abarcan: la destrucción por biotransformación (fundamentalmente hepática) del tóxico y su excreción por orina, heces, aliento, etc. Normalmente los mecanismos de eliminación siguen una cinética de primer orden (exponencial), pero cuando las concentraciones del tóxico son grandes y saturan los mecanismos de eliminación (altas concentraciones tubulares o biliares), se cumple una cinética de orden cero (velocidad constante). Para la eliminación exponencial se aplica la ecuación general (4), llamando Qo a la cantidad total del xenobiótico en el organismo en el tiempo to, Q la correspondiente a tiempo t y Ke la constante de eliminación. Q = Qo · e–Ket Ket log Q = log Qo –  2,303 que es la ecuación de una recta donde –Ke  = β 2,303 siendo β la pendiente de la recta en representación semilogarítmica de base 10. Si se dispone de la recta, se calcula β a partir del intervalo entre dos puntos: log Q1 – log Q2 –Ke β =  =  t2 – t1 2,303 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 97 TRÁNSITO DE LOS XENOBIÓTICOS EN EL ORGANISMO. TOXICOCINÉTICA 97 Ahora bien, la cantidad de xenobiótico que en t hay aún en el cuerpo será Q –K  = e et Qo se elimine un determinado porcentaje del mismo, mediante el diagrama de Wagner (Fig. 3.27). Tomando logaritmos en la anterior expresión (20) para C, por lo que si Qe es la cantidad acumulativa eliminada hasta un momento t lnC = –Ke · t + ln Co o en lg decimales (ln X = 2,303 log C) Qe Q  = 1 –  Qo Qo K ·t log C = – e + log Co, de donde 2,303 Qe ln 1 –   = – Ket Qo Qe Ket log 1 –   = –  Qo 2,30 2,303 Co t =  · log  Ke C Cuando Qe se ha determinado solamente en una excreta (aire exhalado, orina, etc.), pero el xenobiótico puede eliminarse además por otra vía, el cálculo no será correcto. Si se representa en coordenadas semilogarítmicas la disminución de Q frente al tiempo, se tiene una recta que permite calcular la velocidad de eliminación y el tiempo medio. En resumen, para una eliminación con cinética de primer orden, el tiempo de eliminación (o de permanencia) es proporcional al logaritmo de la cantidad absorbida. (28) y como, por definición Co = 2 C, la vida media (t1/2) 2,303 C t =  · log 2  = Ke C 2,303 ln2 =  · log 2, t1/2 =  Ke Ke 0,693 0,693 t1/2 =  =  Ke β (29) Vida media de eliminación La Ke o constante de eliminación que hemos visto significa la fracción de fármaco que queda en el cuerpo después de cada unidad de tiempo. Es directamente proporcional a la velocidad de desaparición del fármaco. Pero, por ser esta Ke un concepto muy abstracto, se suele utilizar el de «vida media de eliminación». Mal llamada, de acuerdo con Curry, «vida media biológica», supone el tiempo necesario para que la Q o C se reduzcan a la mitad. Sirve para cuantificar la permanencia de un xenobiótico en el organismo. Se representa como t1/2. Debe referirse a fase de eliminación o exponencial en que no hay absorción. Se calcula por: 0,693 t1/2 =  Ke y también gráficamente. Conociendo t 1/2 de un tóxico se puede saber el tiempo necesario para que Figura 3.27. Diagrama de Wagner. Índica el tiempo necesario para la eliminación de un porcentaje de producto según su vida media. 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 98 98 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Como aplicación práctica, aunque la mitad del xenobiótico se elimine en t1/2, la excreción de la totalidad del producto requiere n veces t1/2 , lo que debe tenerse presente en la recogida de muestras urinarias. El valor de n es variable pero puede estimarse suficiente como igual a 5. Curvas de excreción urinaria Se realizan a partir de muestras de orina tomadas a intervalos fijos, en las que se determina la cantidad de xenobióticos o metabolitos presentes y no su concentración. Cuando en ordenadas se representan las cantidades excretadas por unidad de tiempo, y en abscisas el tiempo se obtienen las curvas directas o de nivel urinario, a veces equivalentes a las de nivel hemático, ya que la cantidad excretada en un instante o un intervalo de tiempo es una función lineal de la cantidad que existe en el plasma en ese tiempo. Ambas curvas son superponibles y sus constantes son iguales. Ut = Uto · e–Kut Kut log Ut =  + log Uto 2,303 Sin embargo, para numerosos productos la excreción varía mucho a lo largo del día por múltiples razones. Por otra parte, si se llevan a ordenadas las cantidades totales excretadas a intervalos de tiempo, obtenidas sumando al valor hallado en cada determinación todos los anteriormente obtenidos (valores acumulados), se tiene una curva acumulativa; son ascendentes cuya pendiente disminuye con el tiempo hasta hacerse asintóticas y no rectifican al llevarlas a papel semilogarítmico. Su ecuación es: –Kut U = Um (1 –e ) siendo Um la cantidad máxima excretable y U la de un instante. Las curvas acumulativas experimentan menos error en la determinación de Ku; son muy útiles para el cálculo de la disponibilidad y de la cantidad total de producto en el organismo en función del tiempo. Principio de la meseta Si se consideran simultáneamente los procesos de absorción (A) y eliminación (E) puede llegarse a interesantes conclusiones toxicológicas, porque se verá si el xenobiótico se acumula y cuándo esta acumulación lleva a concentraciones en el medio biológico que lleguen a ser tóxicas. La acumulación de un xenobiótico en un compartimiento que no participe en su metabolismo ni en su eliminación, supone que la cantidad de producto que entra por vía arterial en un intervalo dt, debe ser igual a la cantidad retenida (dQ) más la que sale por la sangre venosa. Siendo Ca la concentración en sangre arterial, Cv en la sangre venosa y F el flujo, tendremos: F · Ca · dt = dQ + Cv dt dQ  = F (Ca –Cv) dt Podrían darse varios tipos de combinaciones, siendo los más sencillos: a) Absorción y eliminación de orden cero. b) Absorción de orden cero y eliminación de primer orden. c) Absorción y eliminación de primer orden. En el caso a) las velocidades de entrada y salida serían independientes de la cantidad de sustancia y sólo se produciría acumulación si, cuando se establezca el equilibrio de flujos de absorción y eliminación, K de entrada sea mayor que K de salida. Según la relación de velocidades se podrá conseguir una concentración interna estacionaria o en meseta, que es muy útil en terapéutica y muy peligrosa en toxicología (Fig. 3.28). a) A y E, de orden O; Ka y Ke = ctes; cuando Ka > Ke. Figura 3.28. b) A = orden 0 E = primer orden Ka = cte. r cuando w Ke = f(Q) q Ke < Ka el esquema es el mismo, es decir, con meseta; pero cuando Ke > Ka, no hay meseta. c) A y E de primer orden 1 t máx =  Ke (30) luego el resultado final del proceso depende de Ke. 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 99 TRÁNSITO DE LOS XENOBIÓTICOS EN EL ORGANISMO. TOXICOCINÉTICA 99 válido para los procesos fisicoquímicos de absorción, distribución y excreción renal sin consumo de energía, pero no sirve para los fenómenos que requieren energía, como el metabolismo hepático, la excreción biliar y el transporte activo en el túbulo renal, porque estos procesos son dosis-dependientes, no reversibles, y pueden llegar a saturar los grupos activos de los sistemas enzimáticos, cuya actividad puede ser descrita por la ecuación de Michaelis-Menten. En estos procesos rige una cinética de orden cero, donde la disminución de la concentración en un órgano o en la sangre es de acuerdo con la ecuación de Michaellis-Menten: Figura 3.28. Principio de la meseta. En el caso b) la velocidad de entrada seguía siendo constante, K entrada (bien por inhalación de un ambiente, por infusión o repetición de dosis a tiempos), pero la velocidad de salida será proporcional a la Qb o cantidad acumulada en el momento del equilibrio de flujos. Lógicamente, el que se produzca o no acumulación dependerá, en definitiva, de la velocidad de salida (que sea menor o no que la de entrada, que es constante). En el caso c) tanto la absorción como la eliminación son de primer orden; es el caso más frecuente representado por la administración de una sola dosis. Una larga serie de consideraciones matemáticas nos lleva a que 1 tmáx =  Ke de forma que el tiempo en que se consigue una concentración máxima en el organismo no depende de la dosis absorbida, sino de la constante de eliminación. Por otra parte, en el caso de que Ka sea igual a Ke el nivel máximo que se alcanza en el organismo es el 37 % de la dosis. Cuando un producto P, una vez absorbido, se metaboliza en otro R, a una velocidad Kp (transformación de primer orden) y R se elimina a una velocidad Ke, también de primer orden, su cinética se corresponde a este grupo que estamos considerando, con una única diferencia: como si se absorbiese más lentamente. No todos los xenobióticos caben en modelos lineales con cinética de primer orden. Esto sólo es dC Vm · C V = –  =  dt Km + C (31) donde –dC/dT = velocidad de desaparición de la concentración del xenobiótico. C = concentración del xenobiótico en el tiempo t. Vm = velocidad máxima del proceso. Km = constante de Michaelis-Menten; equivale a la concentración en que la velocidad V es la mitad de Vm (Vm/2) (Fig. 3.29). Pueden darse dos casos límite, cuya consideración permite aproximarnos al concepto de aclaramiento metabólico (velocidad de la disminución de la concentración de un xenobiótico en la sangre, por unidad de tiempo), que se abordará en el apartado siguiente. a) Cuando C es mucho más pequeña que Km (C <<< Km), sería despreciable como sumando en el denominador, y tendríamos que: V = –dC/dt =Vm. C/Km expresión que resulta igual a la dQ/dt = –Ke · Q, que ya vimos (8), similar a dC/dt = –Ke · C y que describe la cinética de eliminación linear de primer orden en el modelo monocompartimental, en que la velocidad de eliminación es proporcional a la concentración. b) Cuando C es muy grande, mucho mayor que Km, resulta que –dC/dt = Vm, porque las enzimas se saturan y Vm se hace máxima, constante e independiente de C, y el proceso se desarrolla con cinética linear, de orden cero. 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 100 100 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL El etanol es un ejemplo típico de tóxico que se elimina fundamentalmente por biotransformación (muy escasa proporción de la dosis (un 10 %) se excreta incambiado), con cinética de orden cero, a una Km aproximada de 0,15 g/L. En definitiva: en las intoxicaciones se suelen saturar los mecanismos, por lo que se comportan como de orden cero y son no-lineares. Pero cuando son de primer orden (lineares), la absorción, el área bajo la curva, las concentraciones máxima y mínima, etc., son directamente proporcionales a las dosis (hay linealidad frente a la dosis). Como aplicaciones prácticas simplificadas de lo expuesto tenemos que, cuando sabemos que una dosis D de un medicamento origina una concentración hemática apropiada a la acción terapéutica, que se desea mantener, debería administrarse D/2 a intervalos menores a t1/2, mientras que para evitar que se alcancen las concentraciones tóxicas (críticas), debe evitarse que se absorba la mitad de la dosis tóxica a intervalos menores de la vida media t1/2. Aclaramiento (clearance) Es un concepto que expresa la capacidad del cuerpo para eliminar un xenobiótico (Benet et al., 1995); puede referirse a cada uno de los compartimientos corporales. Refleja la capacidad de excreción de cada vía o cada órgano, y es un importante parámetro farmacocinético (Figs. 3.30, 3.31 y 3.32). Por definición, aclaramiento (clearance) renal es la cantidad de plasma (en m1) que contiene la misma cantidad (en mg) de producto eliminado por la orina en un minuto. Dicho de otra forma, es la cantidad de sangre o plasma liberada completamente del xenobiótico, en la unidad de tiempo. Se calcula como la relación entre la cantidad de sustancia eliminada por unidad de tiempo y la concentración sanguínea. Para la orina será: Cu · V Cl =   Cp Cu = concentración en orina. Cp = concentración en plasma. V = volumen en orina por minuto. Figura 3.29. Según la cinética de MichaelisMenten, la relación entre la velocidad de biotransformación (cantidad de sustancia metabolizada por unidad de tiempo) y la concentración es hiperbólica (cinética de orden cero); a concentraciones inferiores a la constante de Michaelis, Km, la velocidad es aproximadamente linear respecto a C (cinética de primer orden). La expresión (32) nos da el aclaramiento renal. Ahora bien, Cu · V es la cantidad eliminada por minuto (Qe), luego, teniendo en cuenta las expresiones (8), (24) y (27): Qe Ke · Qo Qo Cl =  =  = Ke · Vd =  Cp Cp Abc (33) Por lo que aclaramiento se define como la cantidad de producto que se elimina en la unidad de tiempo, de un volumen de distribución y sus unidades son mg/min/ml. Esta fórmula nos permite valorar la capacidad de excreción de un órgano para un producto, en función del volumen de distribución o del área bajo la curva. Se ha demostrado que para cualquier órgano el aclaramiento viene dado: Clint Cl = F  F + Clint (32) donde: F = flujo sanguíneo en el órgano. Cl intrínseco= aclaramiento máximo del órgano. 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 101 TRÁNSITO DE LOS XENOBIÓTICOS EN EL ORGANISMO. TOXICOCINÉTICA En general, el Cl depende del flujo y de la concentración del producto en la sangre a la entrada y a la salida; cuando el coeficiente de reparto es > 0,8, la dependencia es fuerte, pero cuando el coeficiente de reparto es < 0,2, es independiente. La capacidad de un órgano para extraer o eliminar (E) una sustancia, siendo CA su concentración en sangre arterial y Cv en la venosa, sería: F (CA – CV) CA – CV E=  =  CA F · CA Y el aclaramiento: CA – CV Cl = F · E = F ·   CA Para los xenobióticos que realizan un primer paso por el hígado, el aclaramiento puede ser un índice del funcionamiento hepático. El Cl total de un individuo es la suma de sus Cl parciales: Clsistémico = Clhepatico + Clrenal + Clpulmonar + Cl… En el estado estacionario, la velocidad de entrada es igual a la de eliminación, el producto de Cl total por la concentración plasmática, en el equilibrio, da la Q total eliminada por la unidad de tiempo y, consiguientemente, la Q que debe absorberse para que se mantenga la meseta. A partir del Cl también puede calcularse t1/2, que cambia en función de Cl y de Vd De (29) y (33). 0,693 t1/2 = , Ke Cl y como Ke =  Vd (34) Formas prácticas para calcular Ke, Ka y t1/2 A un ser vivo se administra una dosis del producto por la vía elegida y a diferentes tiempos se le extrae sangre, que se analiza. Las concentraciones halladas se representan frente al tiempo en papel semilogarítmico. Se obtendrá una gráfica con una primera parte «a», representativa de la absorción, hasta su máximo «m», y otro tramo, recto, «b», representativo de la eliminación. Se extrapola ésta hasta obtener Co, en el eje de ordenadas; la pendiente de la recta, calculable del gráfico, es Ke. De este valor Co se restan varios valores correspondientes al tramo «a», y las diferencias se marcan como puntos a los correspondientes tiempos. Se tendría así una recta cuya pendiente, también calculable por triangulación en la gráfica, es Ka. Asimismo, Ke y Ka se pueden deducir matemáticamente a partir de las correspondientes ecuaciones de las rectas: Kat + log Co, de donde log C = –  2,303 2,303 Co Ka =  · log  t C o por la aplicación de otras expresiones más complejas, mediante el uso de ordenadores. Finalmente, ln 2 0,693 te 1/2 =  =  Ke Ke al igual que 0,693 ta 1/2 =  Ka Otros datos prácticos Cálculos 0,693 · Vd t1/2 =  Cl Esta expresión es exacta en modelos monocompartimentales y aproximada en los bicompartimentales. En definitiva, Cltotal = Ke × Vd × Peso corporal 101 (35) a) Cantidad de producto en compartimiento central: Qc Qc = C · Vc y C Qc = D  Co D puesto que Vc =  Co 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 102 102 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL c) Cantidad de producto en compartimiento periférico: Qp Qp = D – Qc – Qel luego:    C · dt C 1 – ———— –   C · dt C t C · dt C o – D  = Qp = D – D · ———— ∞ Co C · dt o =D  t o ∞ o o  como arriba (en b), se puede calcular la fracción de la dosis que está en compartimiento periférico.  C · dt C Q Fracción D =  = 1 – ———— – , D  C · dt C t p o ∞ o o Figura 3.30. Modelo sencillo de clearance. S. Thorne et al., 1986. que × 100 = % Retención selectiva b) Cantidad de producto eliminado: Qel dQel  = K13 · Qc = K13 · C · Vc, dt  C · dt integrando t Qel = K13 · Vs y también o  C · dt = ———— · D  C · dt t Qel o ∞ o donde el numerador es Abc entre el origen de coordenadas y t; el denominador Abc total, y la fracción de dosis eliminada =  C · dt Q  = ———— · D D  C · dt t el Muchos xenobióticos se acumulan en distintos tejidos, por diferentes causas: o ∞ o que se transforma en % de dosis si se multiplica por 100. 1. Los productos lipófilos, en el tejido adiposo, por alto coeficiente de reparto lípido/ plasma. 2. Formación de complejos de absorción por determinadas proteínas tisulares, bastante estables, aunque reversibles. Estas retenciones modifican los cálculos anteriores en dos aspectos: a. Aumento del volumen de distribución periférico aparente, que llega a hacerse superior al volumen total del organismo. b. Disminución al mínimo de la constante de retorno K21, por lo que K12/K21 resulta siempre superior a 1. El cociente K12/K21 refleja la intervención del compartimiento periférico. Así, cuando su valor es > 1, indica una retención selectiva por depósitos no acuosos (proteínas o lípidos), y exige un tratamiento bicompartimental. 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 103 TRÁNSITO DE LOS XENOBIÓTICOS EN EL ORGANISMO. TOXICOCINÉTICA Cuando el cociente es g 1, indica que el producto está retenido por el agua intracelular; y como el volumen del compartimiento periférico es muy grande, también hay que dar un tratamiento bicompartimental. Pero cuando K12/K21 es < 1, refleja ausencia de afinidad del producto por el compartimiento periférico, con un volumen de distribución periférico muy bajo; y la cinética dependerá de la eliminación o de K10. Figura 3.31. Tránsito del Cr+++ en el hombre. S. Thorne et al., 1986. 103 Así, cuando K12/K10 es muy pequeño, quiere decir que el producto se metaboliza y excreta a mayor velocidad que la que precisa para distribuirse, y puede ocurrir que no se dé tiempo a que llegue a los compartimientos periféricos. Entonces puede usarse un modelo monocompartimental. Las concentraciones de un xenobiótico en un medio biológico (sangre, orina, tejido) no reflejan específicamente la concentración en el lugar de acción. 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 104 104 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Dosis o carga Efecto letal Efectos tóxicos Sin efecto Figura 3.32. Curvas de bioacumulación y sus efectos, según la dosis y consiguiente carga corporal. Figura 3.33. Tránsito del Cd en el hombre. S Thorne et al., 1986. 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 105 TRÁNSITO DE LOS XENOBIÓTICOS EN EL ORGANISMO. TOXICOCINÉTICA Puede ocurrir que el producto llegue fácilmente a los receptores y se retenga allí, con lo que a bajos niveles plasmáticos se corresponderá buena respuesta. Pero, si el producto accede dificilmente a los órganos diana, harán falta niveles plasmáticos altos para obtener respuesta. En todo caso, la velocidad de absorción y de eliminación del producto determinará la duración del efecto (Tablas 3.4, 3.5 y 3.6). Concepto de carga corporal (body burden) o xenobiótico retenido en el cuerpo: Recordemos que –Kel es la pendiente de la recta en representación semilogarítmica de la concentración frente al tiempo, y t1/2 = ln2/Kel. Cuando se aplica un producto por vía dérmica y se analiza la sangre a tiempos, se tiene también una gráfica y después, por el procedimiento de sustracciones, una recta que representa la fase de absorción cuya pendiente es Ka. Si se conoce la constante de evaporación del compuesto (Kev) la Ka Fracción absorbida =  = Ka + Kev t1/2 B = Dosis ×  × fracción absorbida ln2 Dosis B =  (1 – e–Ke · t) Ke es 1 para una absorción del 100 por 100 de la dosis, la fracción de la dosis retenida en el cuerpo, y es acumulativa con dosis sucesivas. Tras sucesivas dosis en n días: B = Bo ∑e –(n – 1)Ke Abc dérmica =  A bc intraven. La biodisponibilidad = % absorbido = Abc dérmica/dosis tópica =  × 100 Abc intraven./dosis i.v. La absorción percutánea es un proceso de difusión pasiva a través del estrato córneo y cumple la ley de Fick: C A = Kd · Cp  d y cuando n es infinito: 1 B = Bo  1 – eKe siendo Bo la carga corporal por una dosis. La Agencia de Protección Ambiental (EPA, EE UU) ha desarrollado modelos informatizados con fórmulas matemáticas para calcular, rápida y aproximadamente, la cantidad de sustancia que se absorbe por las diferentes vías, tras la exposición a los productos comerciales, así como la carga corporal que el xenobiótico puede alcanzar en el individuo. CASOS PARTICULARES DE CINÉTICAS Absorción percutánea La cinética de la absorción percutánea es un proceso de primer orden. Para su estudio se establece primeramente la cinética de la sustancia por su administración i.v., determinando Kel y t1/2. 105 siendo: A = flujo o cantidad absorbida por unidad de tiempo/área. Kd = cociente de difusión. Cp = coeficiente de partición entre vehículo y estrato córneo. ∆C = diferencia de concentraciones. d = espesor de la piel. Absorción de gases o vapores Los alveolos pulmonares (véase estructura anatómica en el Capítulo 7) son, junto con la mucosa del intestino delgado, las vías de absorción más importantes del organismo; con una superficie aproximada de 100 m2, la mucosa epitelial de los alveolos permite una velocidad y cantidad de absorción casi similar a la de la administración intravenosa, aunque la distribución del aire inhalado no es homogénea por todo el pulmón, ni siquiera en los jóvenes sanos. 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 106 106 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Por el pulmón se absorben preferentemente gases y líquidos liposolubles volátiles (aunque también agua) mediante un mecanismo de transporte pasivo por simple difusión según el gradiente o diferencia de presiones del soluto entre el aire alveolar y la sangre de los capilares (Repetto, 1978). La ventilación alveolar puede asimilarse al lavado de un recipiente de capacidad igual al volumen residual (VR) con un volumen de aire (VE) efectivo, una serie de veces (VE × frecuencia). La cinética de las concentraciones en el alveolo (Ca) y en el aire inspirado (Ci) será: Ca = Ci (1 – e–t/τ) VR donde τ =  VE × f representa el tiempo necesario para que la concentración en el aire alveolar alcance el 63 % de la concentración del aire inspirado. Por tanto, la absorción de gases o vapores presenta dos características especiales: a) absorción cíclica, b) eliminación pulmonar. a) La absorción está regida por un proceso cíclico, la respiración, con un ritmo de alrededor de 20 veces/minuto. Un volumen corriente (Vc) de aire con el producto entra por boca y nariz, a su paso por las vías respiratorias se calienta hasta 37 oC y se humedece, y una parte de aquel Vc llega a los alveolos, donde este volumen efectivo (VE) se diluye con el aire residual. Con cada respiración este aire se irá enriqueciendo en el gas. Se calcula que para que alcance aquí el 63 % se requieren 30 segundos, en un hombre normal, en reposo, en el caso de que el gas sea insoluble en el tejido pulmonar y en la sangre; si no el tiempo será mayor. El paso del gas a la sangre depende de: 1. Características y estado de las membranas alveolocapilares. 2. Caudal sanguíneo (irrigación pulmonar y frecuencia cardíaca). 3. Características fisicoquímicas del gas (coeficiente de difusión a través de la membrana alveolocapilar y coeficiente de reparto sangre-aire). 4. El gradiente de presiones entre el aire en los alveolos y la sangre capilar, conforme a la ley de Henry, y cuando se inhala una mezcla de gases, la absorción de cada uno de ellos se realiza de forma independiente, en función de la presión parcial individual (ley de Dalton; véase Glosario). En el equilibrio se cumple que: solubilidad en sangre Conc. en sangre  = (coeficiente de Ostwald) Conc. en aire 5. Gradiente de concentraciones del gas entre aire-sangre. Esto supone que la absorción es máxima al principio, pero se hace menor conforme aumenta la carga corporal. Como la difusión de sustancias liposolubles a través de la membrana alveolar es más rápida que el paso de la sangre por los capilares pulmonares, se puede aceptar que ésta sale saturada, es decir, con concentración en equilibrio con la sangre alveolar. En otras palabras, el gas de los alveolos se equilibra instantáneamente con la sangre capilar-pulmonar. Como el lecho capilar pulmonar representa un flujo de 5 l/minuto, el agua corporal es de 41 litros, podría calcularse, con error por varias causas, que el gas en el agua corporal alcance el equilibrio con aire alveolar en aproximadamente 8 minutos. Sin embargo, al aproximarse el equilibrio, la velocidad se hace menor, por lo que se acepta que el tiempo real para alcanzar el 90 por 100 del equilibrio son 21 minutos. Como la sangre se lleva todo el gas que puede, en cada ocasión, a mayor flujo, mayor transporte, por lo que el flujo sanguíneo (volumen minuto cardíaco) será el factor limitante para el establecimiento del equilibrio en gases de baja solubilidad. En agentes muy solubles, todo el inhalado de cada vez pasa a la sangre y a los tejidos, y hasta que éstos están saturados, la sangre vuelve sin gas al pulmón, por lo que en este caso, el tiempo para lograr el equilibrio será muy superior, y como la sangre se lleva, cada vez que pasa por los pulmones, todo el gas que hay, el flujo no será el factor limitante, sino la frecuencia respiratoria. De todo ello podemos deducir que la absorción por vía inhalatoria de gases o vapores liposolubles depende en definitva de: a) Su solubilidad en la sangre. b) Estado funcional ventilatorio del sistema respiratorio. c) Volumen minuto cardíaco. Cuando la sangre distribuye el gas por el organismo, aquel será retenido por los distintos tejidos, según también las anteriores características. La parte de gas que no es retenida vuelve a los pulmones. Mucosas, fuma. GI GI GI Subcut., i.m. Cocaína Fenacetina Haloperidol Meprobamato Morfina Tiopental Proteínas Ultracorta Corta Pentobarbital Oxida. (microsómic.) Hidrol. (esterasas) 4-40 d (a pH 8,5) 3h 5d 3h 1-3 h 10 d 3-30 h 3h 5h 24 h Hígado Hígado Hígado Lugar 80 % hidrolic. inactivo Inactivos Hidroxi Inactivos Oxi., Hidroxi Metabolito pral. Metabolismo 9 35-95 T/2 horas Orina Orina Orina Orina Orina Orina Vía Glucurónidos Varios Hidroxi Hidroxi 50 % amb. Metabolito 7 90 40 15 1-5 20 30 5 10 % incamb. 0 0 5 20 30 % incamb. Aceraminofeno Varios Varios Varios, Glucur. Varios Varios Metabolito Excreción Orina Heces Bilis, leche Orina Orina Orina Bilis Orina Orina Orina Orina Orina Orina Aire, orina Orina Vía TRÁNSITO DE LOS XENOBIÓTICOS EN EL ORGANISMO. TOXICOCINÉTICA muy liposoluble Corta Heptobarbital 50 % proteína Media Amobarbital Larga Media Hígado Plasma N-desmet., O-metil Varios Varios Benzoílecgonina Varios Varios. THC-COOH Oxidación Varios Acetaldehído Hidrólisis. Hidroxilados T1/2 Tabla 3.5. Ejemplos farmacocinéticos de barbitúricos Acción Alilbarbitúrico 40 % albúmina Transporte Fármaco Fenobarbital GI, Inh., cután. Organofosforados Hígado Hígado Hígado Plasma Hígado Riñón Hígado Hígado Hígado Hígado Metabolito pral. Excreción 12:03 Proteinas Proteínas 80% proteínas Lipoproteínas Plasma Proteínas Lugar Metabolismo Ejemplos toxicocinéticos 24/11/08 GI incompleta Fumado, GI GI, fumada Anfetaminas GI, i.m. GI Aminofenazona Clorpromazina GI, inhalat. Cannabis GI, rápido por Vía Alcohol etílico Transporte Absorción Acetilsalicílico Fármaco Tabla 3.4. 03 toxicologia alim Página 107 107 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 108 5 0 La absorción por el tejido dependerá del gradiente de concentraciones en sangre (Cs) y tejido (Ct), de la perfusión sanguínea (Vs), del volumen del tejido (V t ) y del coeficiente de partición tejido-sangre (λ). Una vez que la Cs permanece constante, Ct varía en función del tiempo, según: Ciclo enterohepático Sedación secundaria a 12 h. Orina Orina Leche Bilis GI GI GI, IV donde Flunitrazepam Nitrazepam y varios y N-DesalquilLorazepam Hidroxietil- Muy rápido a GI GI Flurazepam Diazepam Desmetil-Diazepam GI, IV Clorazepato (en estómago) Orina 3 días 100 horas 3 días Tiempo Excreción Ct = λ · Cs (1 – e–t/τ) Vía Metabolismo Absorción Fármaco Tabla 3.6. Ejemplos farmacocinéticos de benzodiazepínicos Metabolismo 75 % incamb. 108 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Vt · λ τ= Vs · f representa el tiempo necesario para que Ct alcance el 63 por 100 de Cs. Cuando en el aire que se respira deja de haber el gas o vapor que se estuvo inhalando hasta alcanzar el equilibrio, el gas comienza a pasar de la sangre al aire y de los tejidos a la sangre, con la misma cinética con que se absorbió. Los gases poco solubles se liberan en cuanto la sangre los lleva al pulmón; los muy solubles sólo se liberan en pequeña proporción en cada paso por el pulmón, por lo que los factores limitantes son la frecuencia respiratoria y el volumen minuto. El desprendimiento de un gas a partir de un líquido se realiza conforme a la llamada tensión parcial del gas en ese líquido, que es la presión ejercida por las partículas gaseosas sobre las moléculas del líquido que, a su vez, influyen sobre aquellas con la presión hidrostática; cuando ambas se igualan, las partículas gaseosas pasan a la fase gaseosa. Estas circunstancias deben ser tenidas en cuenta al realizar análisis del llamado espacio en cabeza (véase Capítulo 15, Sistemáticas analíticas toxicológicas). En resumen, las curvas de eliminación o desequilibrio son las curvas de absorción o equilibrio invertidas. Se admite que en la absorción continuada se alcanza el equilibrio en un tiempo 5-7 veces t1/2, que es también el tiempo en que se elimina una dosis. Control de la exposición Para detectar la posibilidad de intoxicación por absorción de gases, y especialmente por vapores de disolventes, se pueden seguir varios métodos: 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 109 TRÁNSITO DE LOS XENOBIÓTICOS EN EL ORGANISMO. TOXICOCINÉTICA 109 a) Análisis de sangre o de orina en muestras tomadas al final de la semana de trabajo. b) Determinación de metabolitos urinarios de los gases en cuestión. c) Estudio de las curvas de eliminación pulmonar, que puede reflejar la carga corporal acumulada después de un tiempo de exposición. Se ha visto que para mayor representatividad, las muestras de aire exhalado deben tomarse por lo menos unas seis horas después de terminar la absorción, y preferiblemente por la mañana antes de someterse a nueva exposición; esto nos daría la descarga de los tejidos grasos, reflejo de la acumulación. La solubilidad de los gases en los lípidos se puede calcular por experimentación con un aceite vegetal o con n-octanol, y se expresa como el coeficiente de partición entre grasa y sangre a 38 oC: M depende de la solubilidad en la sangre, de las propiedades del tejido donde se metaboliza y de las características metabólicas. SG SL =  SS O sea, que si para un gas el coeficiente de partición S es 2, un volumen de lípidos tendrá en el equilibrio dos veces la concentración del gas en la sangre, o lo que es igual, un litro de grasa tendrá tanto gas como dos litros de sangre. Para un valor alto de S, el gas en la sangre pasará rápidamente a los tejidos grasos, hasta que éstos consigan su concentración de equilibrio C L ; al principio de la inhalación la sangre venosa que sale de los tejidos tendrá muy poco gas liposoluble, pero lentamente irá creciendo su concentración cuando el depósito graso vaya alcanzando su equilibrio o saturación. Ahora bien, el flujo sanguíneo por la generalidad de los depósitos grasos es tan sólo una fracción muy pequeña del volumen minuto cardíaco (3 por 100). Realmente, la distribución del producto se hace de acuerdo con la irrigación de cada órgano. Por ello, la sangre, el agua corporal y el cerebro alcanzan el equilibrio con el gas en los alveolos, cuando los depósitos grasos aún están muy por debajo de él. Igualmente, cuando se interrumpe la absorción, una vez que la sangre y el agua han eliminado el gas, se produce una lenta salida desde los depósitos grasos, tanto más lenta cuanto mayor sea la liposolubilidad del producto. Por otras razones, la eliminación de disolventes presenta dos curvas: la primera corresponde a la solubilidad en los órganos muy vascularizados, en el agua y en la sangre, y la segunda corresponde a la descarga de los depósitos grasos. A efectos de cálculos se considera que un individuo normal, no grueso, tiene de grasa el 15 por 100 de su peso. Para ver la equivalencia de esta grasa en su actuación como sangre: 10 kg de grasa × SL = n litros de sangre. Experimentalmente se ha visto que cada individuo en reposo o en ejercicio fisico retiene diferentes cantidades de los diferentes gases o vapores, y que estas retenciones son función de la ventilación pulmonar, o volumen de aire respirado. Este factor es más decisivo para los productos más solubles en sangre, por lo que el esfuerzo fisico modificará más la concentración alveolar de acetato de etilo que la de benceno, por ejemplo. Se ha propuesto que la concentración de equilibrio en el aire alveolar, C∞: Ci C∞ =  1 + M VA donde Ci es la concentración en el aire inspirado; VA = ventilación alveolar y M = λ · V, siendo, λ el coeficiente de reparto aire-sangre y V la clearance metabólica total del organismo, por lo que M es un parámetro peculiar de cada sustancia denominado clearance metabólica aparente (Droz y Fernández, 1977). Retención corporal de los disolventes (gases y vapores) Hemos visto que la solubilidad de un gas en los lípidos corporales viene dada por su coeficiente de partición lípido/sangre a 38 oC: SL S =  SS Cuando la sangre y el agua corporal tengan una concentración Cs, de equilibrio, los depósitos grasos orgánicos tendrán: CL = S · CS 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 110 110 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL FACTORES QUE AFECTAN A LA TOXICOCINÉTICA Los parámetros que definen la toxicocinética de una sustancia no dependen sólo de ésta, sino también del individuo, de su especie, disposición genética, sexo, edad, enfermedades, etc., así como de influencias externas, como dieta, exposiciones a xenobióticos (medicamentos, drogas de abuso, contaminantes, etc.), circunstancias climáticas, etc., todo lo cual justifica la reconocida variabilidad interindividual. Las diferencias en algunos parámetros son más trascendentes que en otros; así, por ejemplo, las variaciones en el aclaramiento son de mayor importancia que las del volumen de distribución, porque los márgenes de variabilidad del aclaramiento (por situaciones de cansancio, ingesta de líquidos, funciones hepática o renal, etc.) son mucho más amplios y frecuentes que los del volu- Tabla 3.7. Factores que afectan a la toxicocinética. En la absorción Compliancia o adaptabilidad (cambio de volúmenes ante cambios de presión interior y exterior en víscera hueca) Ruta de administración y técnica seguida Cinética de absorción Estado del fármaco Sustancias concomitantes Distribución (volumen aparente de distribución) Edad, sexo, peso o superficie corporal Patologías Sustancias biógenas o exógenas concomitantes Metabolismo «primer paso» men de distribución; además, del aclaramiento depende que los tóxicos se acumulen y se incremente su vida media y la carga corporal. A pesar de los esfuerzos realizados, la farmacocinética y la toxicocinética distan mucho de ser ciencia exacta, matemática, pues sus distintas fases pueden ser afectadas por numerosos factores; veamos algunos (Tabla 3.7). Los fármacos que precisan ser hidrolizados en el cuerpo para activarse, dependen de la actividad de las esterasas sanguíneas. En los niños prematuros y en los recién nacidos la actividad de estas enzimas es el 50-64 % de la de los adultos. En el embarazo la distribución de los fármacos está afectada porque también lo están las proporciones de agua intra y extracelular. Además, el volumen minuto cardíaco está aumentado, lo que igualmente eleva la perfusión hepática y renal. Generalmente esto contribuye a elevar la «clearance», reduciendo tanto las concentraciones en suero como la acción de los fármacos. Los cambios hormonales también afectan la actividad enzimática (tanto por estimulación como por inhibición) y esto repercute en el aclaramiento. Cuando el feto se desarrolla, aumenta el volumen de distribución de la madre, así como la capacidad metabólica del feto y de la placenta. También la fase del ciclo menstrual, como el uso de anticonceptivos hormonales, o los estados de menopausia o andropausia pueden alterar las concentraciones de los fármacos en el suero. La mayor proporción de tejido adiposo y más bajo peso corporal diferencia el volumen de distribución de la mujer. Otro factor que afecta grandemente es la absorción concomitante de distintas sustancias, sean otros tóxicos, medicamentos, drogas de adicción, contaminantes, etc. Véase el capítulo sobre factores que modifican la toxicidad. Eliminación (velocidad de) Cinética de eliminación Cínética lineal y no lineal Edad, sexo, peso o superficie corporal Sustancias concomitantes Tiempo de absorción Calidad de los análisis Momento del muestreo Estabilidad de la muestra Reproducibilidad del método de análisis Cuando las constantes de absorción, distribución y eliminación no varían con la dosis ni con el tiempo se consiguen relaciones lineales entre las dosis administradas y las concentraciones sanguíneas; al elevar aquéllas, se incrementan proporcionalmente éstas. Hablamos entonces de cinética lineal. 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 111 TRÁNSITO DE LOS XENOBIÓTICOS EN EL ORGANISMO. TOXICOCINÉTICA Pero con frecuencia se presentan en Toxicología cinéticas no lineales al ser influidas por diversas variables. Muy a menudo encontramos que, al variar la dosis, se saturan los mecanismos de absorción, o las proteínas plasmáticas, o los mecanismos de biotransformación, o se altera el pH, o al repetir la dosis se produce inducción enzimática, que disminuye la vida media, etc. CINÉTICA DEL EFECTO La evolución del efecto a lo largo del tiempo es función, lógicamente, de la concentración del fármaco junto a los receptores. Para relacionar recíprocamente el trinomio concentración-tiempo- efecto se elaboran modelos tridimensionales parecidos a los que en Termodinámica correlacionan presión-volumen-temperatura de los gases. Con estos modelos puede abordarse el estudio cinético del efecto de sustancias de acción reversible (como son la mayoría de los medicamentos), pero no de las que forman una unión covalente irreversible con los receptores, como ocurre con muchos tóxicos, tales como los agentes alquilantes, efectos citotóxicos de antibióticos, antimetabolitos, etc. En estos casos se intenta relacionar la fracción de células intactas con la concentración del tóxico en ese lugar y el tiempo. De todas formas, persisten limitaciones para calcular, a lo largo del tiempo, el efecto después de absorber una sola dosis (relación tiempo-efecto) o para determinar, al cabo de un tiempo dado, el efecto de varias dosis (relación cinética dosis-efecto). Los modelos propuestos (Tozer) para resolver estos problemas se suelen basar en dos suposiciones: 1.a Que el efecto sea constante, independiente del tiempo y de la velocidad del metabolismo del tóxico. Es el caso de los efectos irreversibles, 2.a Caso de los efectos reversibles en que, para los modelos compartimentales lineales clásicos, las concentraciones tisulares del fármaco son lineales con respecto a la concentración sanguínea en la fase β de eliminación. Existen dos tipos de relaciones: a) El efecto es proporcional a la concentración del complejo receptor-fármaco, de acuerdo con la ley de acción de masas, en que se cumple: [complejo] K =  [receptores] × [fármaco] 111 b) La concentración del producto en las inmediaciones de los receptores disminuye exponencialmente en el tiempo: [tóxico] = e–kt Es interesante conocer cómo disminuye el efecto de un fármaco que sufre la eliminación de orden uno. Sea un modelo abierto, con absorción i.v., en que la intensidad del efecto en un momento dado es función de la cantidad de fármaco presente en ese momento, por encima de una concentración mínima (Cmín.) y considerando que los metabolitos son inactivos. Admitamos que el producto se elimina por uno o varios procesos exponenciales, siendo K la suma de las constantes de velocidad de eliminación, independiente de la dosis. Se tiene que: K log C = log D –  · t 2,303 siendo C la concentración de fármaco remanente en el momento t. En un modelo bicompartimental abierto en fase beta, se tendrían ecuaciones parecidas sustituyendo K por b. El efecto puede relacionarse con la concentración mediante la ecuación no-lineal E = m · lnC – e Veamos algunos ejemplos:   Modelo I: monocompartimental abierto siendo C s = concentración en sangre, el efecto será: E = función lineal de la concentración en sangre. E = a + b · Cs. Modelo II.a: bicompartimental abierto CS = concentración en sangre. CT = concentración en tejido. %E = 100 – b · CS siendo E una función lineal de la concentración en sangre (CS). 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 112 112 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Modelo II.b: bicompartimental abierto 2.o Una mujer de 60 kg ingiere 15 tabletas de fenitoína de 100 mg c.u. Asumiendo una absorción completa, ¿qué concentración sanguínea alcanzará? Coef. Vd mujeres = 0,6 L/kg. De las mismas fórmulas: 1500/60 × 0,6 = = 41,7 mg/L %E = 100 – b · CT. E = función lineal de CT. La concentración tisular se puede calcular por: K D CT = 12 (e–βt–e–αt) Vs (α – β) y la Cs: D Cs M  [(K12 – β) e–βt – (K12 – α) e–αt] Vs (α – β) Modelo III.a: tricompartimental abierto 3.o Un joven de 20 kg ingiere una cantidad no determinada de ácido acetilsalicílico (AAS); a las 4 horas, la concentración sanguínea era de 1.800 mg/L. ¿Qué cantidad de fármaco ingirió? Coef. Vd AAS = 0,3 L/kg Vd= 20 × 0,3 = 6 L Aplicando (23) Q = Vd · C Q = 1800 × 6 = 10,8 g 4.o Las concentraciones hemáticas de una sustancia fueron: a tiempo 0 desde la ingestión = 5 mg/L y a las 8 horas = 2 mg/L. ¿cuál es la Kel? t1 = 0 hr, Cs1 = 5 mg/L t2 = 8 hr, Cs2 = 2 mg/L Aplicando la expresión (28) ln(Cs /Cs2) ln (5/2) ;  = 0,115 mg/h Kel = 1 t2 – t1 8 Modelo III.b: tricompartimental abierto 5.o Calcular Abc y Kel después de administrar por vía iv 250 mg/kg, en función de los valores de la tabla siguiente: Tiempos Cs 0 0,5 1,0 2,0 4,0 6,0 9,0 ? 6,78 6,32 5,89 5,12 3,87 2,92 1,92 0 Aplicando las expresiones: EJERCICIOS PRÁCTICOS DE TOXICOCINÉTICA (25) Vd = Qo/Co (28) Kel = (ln Co – l Ct)/t y (27) Abc= Qo / Ke · Vd Tiempos Cs Abc (tomados de Barrios y Repetto, 2006) 0 6,78 0,00 1.o Un individuo de 70 kg de peso ingiere 0,4 mg de digoxina. ¿Qué concentración sanguínea alcanzará? 0,5 6,32 3,27 1,0 5,89 6,32 2,0 5,12 11,83 4,0 3,87 20,82 6,0 2,92 27,61 Coef. Vd (hombres) = 0,7 L/kg; De la fórmula (24): Vd = 70 × 0,7 = 49 L y de (25): Vd = Q (mg)/C (mg/L); C= Q/Vd = 0,4/49 = 0,0081 mg/L 9,0 1,92 34,88 ? 0 48,60 Kel 0,14/h 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 113 TRÁNSITO DE LOS XENOBIÓTICOS EN EL ORGANISMO. TOXICOCINÉTICA 6.o Calcular Kel y Vd tras la administración iv de 800 mg de una sustancia, si las concentraciones hemáticas a las 2 y a las 6 horas fueron: Cs(2h) = 45,5 mg/L; Cs(6h) = 35,7 mg/L A partir de (28), tenemos que: lnCs = lnCs(o) – Kel × t –Kel = (ln 35,7 – ln 45,5)/(6-2) = (3,58-3,83)/4 –Kel = 0,24/4 = –0,06 ln Cs(2) = ln Cs(o) – kel × t ln 45,5 = ln Cs(o) – 0,06 × 2 ln Cs(o) = 3,82+ 0,12 = 3,94 Cs(o) = 51,4; y de (25) Vd = Qt/Cs(t) Vd = 800/51,4 = 15,6 L Y de (29) t1/2 = 16,5 h 7.o Después de administrar por vía iv 100 mg de una sustancia, se determinan en el tiempo las concentraciones hemáticas y se construye una gráfica logarítmica de C contra el tiempo, resultando una recta con una pendiente de –0,0751 que intercepta al eje de ordenadas en 1,30. Del gráfico se deduce que corresponde a un modelo monocompartimental. Calcular t1/2 y Vd. De (29) t1/2 = 0,693/Kel De Kel = –2,303 × β = –2,303 (–0,0751) = 0,173/h t1/2 = 0,693/0,173 = 4,0 h Y de (25) Vd = Q/C Co = antilog de 1,30 = 20 Vd = 100/20 = 5 L 8.o Calcular el aclaramiento renal de un xenobiótico con una vida media de 80 minutos y un Vd de 10 L. De (34) t1/2 = 0,693 × Vd/Cl; Cl = 0,693 × Vd/t1/2; Cl = 0,693 × 10.000 mL / 80 = 86,62 mL/min 9.o ¿Cuanto alcohol contiene en el cuerpo un individuo de 80 kg de peso y una alcoholemia de 2 g/L? Coef. Vd = 0,7 Q = 80 × 0,7 x2 = 112 gramos o 10. ¿Cuánto alcohol hay en el cuerpo de una persona de 70 kg que al determinarse el alcohol en el aliento dio una concentración de 0,5 mg/L? Nota.-Las concentraciones de alcohol en el aire espirado, expresadas en mg/L, equivalen aproximadamente a la mitad de las de alcohol en sangre, expresadas en g/L. 113 Q = 70 × 0,7 × 0,5 × 2 = 49 gramos 11.o ¿Cuál era la alcoholemia 3 horas antes de la toma de la muestra, si la determinación dio 1,8 g/L?. β = 0,15 Alcoholemia anterior = (β × t) + g/L (0,15 × 3) + 1,8 = 2.25 g/L 12.o ¿Qué alcoholemia alcanzará un hombre de 70 kg a las 2 horas de beber 105 mL de coñac? Coñac = 46 % de etanol. Densidad del etanol = 0,79, luego 105 mL de coñac = 105 × 0,79 × 0,46 = 38,6 g de alcohol Coef. Vd = 0,7 g de alcohol Alcoholemia =  = Peso corp. × 0,7 38,6 =  = 0,79 g/L 49 13.o ¿Cuánto tiempo tardará un individuo con una alcoholemia de 1 g/L en metabolizar todo el alcohol (llegar a 0 g/L)? β oscila entre 0,1-0,2; tomando 0,15 g/L alcoholemia 1 N.o de horas =  =  = 6,6 horas β 0,15 14.o ¿Qué cantidad de etanol es capaz de metabolizar una persona normal (hombre) de 70 kg de peso? β = 0,15 g/L/hora Por hora: 0,15 × 70 × 0,7 = 7,35 g de etanol/ hora Por día: 7,35 × 24 = 175 g/día BIBLIOGRAFÍA Barrios C, Repetto M. Toxicocinética. En: M. Repetto (ed.) Toxicología de Postgrado-06. Área de Toxicología Univ. Sevilla, 2006. Baselt R. Disposition of toxic drugs and c hemicals in man, 4.a ed. Foster City, California. Chemical Toxicology Institute, 1995. Benet LZ, Zia-Amirhosseini P. Basic principles of pharmacokinetics. Toxicologic Pathology, 1995; 23, (2): 115-230. 03 toxicologia alim 24/11/08 12:03 Página 114 114 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Boratto M, McIntyre IM, Drummer OH. 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Lo contrario o antagónico, es decir, biotransformar para eliminar, es anabolismo. Consecuentemente, el término de significado más general es metabolismo, y el relacionado, algo más restringido, biotransformación; anabolismo y catabolismo son antagónicos. Como el vulgo suele entender como similares metabolismo y catabolismo (aprovechamiento o asimilación de los alimentos), nosotros preferimos utilizar la expresión biotransformación de los xenobióticos , pues los organismos vivos se esfuerzan en transformar las sustancias químicas que absorben, bien para asimilarlas como alimento o bien para eliminarlas, mediante su derivación a productos más fácilmente excretables. Cuando una sustancia extraña ingresa en el organismo, la biotransformación desempeña un impor- tante papel en la reducción o en el incremento de posibles efectos tóxicos, de tal forma que, al igual que sustancias nocivas son destoxicadas, o desprovistas de su capacidad lesiva, unos compuestos atóxicos o poco tóxicos pueden ser transformados en otros perniciosos, y quizás éstos sean luego eliminados después de un posterior proceso destoxicante. Las biotransformaciones de los xenobióticos se pueden realizar por vía puramente química ( hidrólisis por la presencia de agua o de cambios del pH, oxidaciones, etc.) o por vía bioquímica, con participación de enzimas, cuantitativamente más importante. Como sabemos, las enzimas son moléculas de proteínas especializadas que, según su propia estructura espacial y distribución electrónica, se unen transitoriamente a otras moléculas (sustrato) para las que tienen gran, pero no absoluta, especificidad; como consecuencia de la unión, el sustrato queda modificado y la enzima se separa intacta y dispuesta para una nueva intervención; esto último y el hecho de que con su acción la reacción de modificación del sustrato se realice a velocidad muy superior a la que se haría si la reacción fuese exclusivamente química, confiere a las enzimas la categoría de catalizadores. En su acción suelen estar acompañadas de coenzimas (generalmente vitaminas) y de cofactores (iones inorgánicos). Contamos con unas doscientas de enzimas que, en general, son catalizadores lentos, muchos de ellos inducibles por el sustrato, y se sabe que ellas no funcionan aisladamente, sino dentro de una organi115 04 toxicologia alim 24/11/08 12:28 Página 116 116 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL zación con varios niveles de creciente complejidad, como: enzima, complejo enzimático y metabolón, bajo el control de las chaperonas. Como veremos en el capítulo siguiente, la actividad enzimática puede ser modificada por el propio sustrato o por otras sustancias presentes en el medio, produciéndose un aumento o una disminución de la misma y, consecuentemente, una alteración de las condiciones normales o fisiológicas, lo que supone un proceso patológico o tóxico en el individuo. Por otra parte, comparando unos individuos con otros, se comprueba fácilmente que unos poseen determinadas enzimas con mayor o menor actividad que otros; esa coexistencia de diferentes grado de actividades enzimáticas recibe el nombre de polimorfismo enzimático, consecuente con diferente funcionalidad de los genes que codifican, expresan o sintetizan aquella enzima (polimorfismo genético). Esta variabilidad, materia de estudio de la Toxicogenética, tiene una gran trascendencia en Toxicología, porque un individuo que biotransforme un xenobiótico a un compuesto inactivo experimentará menor toxicidad que otro individuo que lo haga lentamente o lo biotransforme en otro más tóxico. Los polimorfismos genéticos no solo se manifiestan en la actividad de las enzimas biotransformadoras, sino también en las cascadas bioquímicas, la síntesis de las proteínas transportadoras, la sensibilidad de los receptores, los mecanismos de reparación de moléculas (ADN, etc.) o tejidos dañados, etc. Los procesos bioquímicos que se desarrollan durante una intoxicación son, en gran parte, paralelos a la farmacocinética de cualquier sustancia de procedencia exógena, siguiendo una serie de etapas en las vías metabólicas. Una sustancia externa llegada al ser vivo puede seguir varios caminos: a) puede ser eliminada sin Figura 4.1. Posibilidades metabólicas. sufrir alteración alguna; b) puede experimentar transformaciones que hagan más fácil su eliminación; c) puede experimentar modificaciones estructurales que aumenten, disminuyan o cambien su cualidad tóxica (Fig. 4.1). Además del camino o vía metabólica seguida, es decisivo el factor tiempo. Si un compuesto es metabolizado a otro más tóxico, cuanto más rápidamente se realice esta transformación, más peligroso será el proceso, pues no se dará tiempo a los fenómenos destoxicativos, y la acumulación del catabolito de toxicidad exacerbada multiplicará el peligro. Según Paton, el efecto de un tóxico no depende sólo de la proporción de receptores ocupados por aquél, sino también de la velocidad con que esto ocurre. Por tanto, es importante el tiempo que requieren los procesos de difusión y las biotransfórmaciones, ya que una vez que el tóxico ha sido absorbido comenzarán los procesos de modificación de su molécula, en los que «la forma de transporte» se metabolizará a formas tóxicamente activas, incluso aún más activas, o bien a metabolitos de toxicidad diferente (metanol a formaldehído, como se representa en la Figura 4.4), o bien a sustancias atóxicas y, finalmente, a productos eliminables. Recuérdese que metabolismo no es sinónimo de destoxicación. En un momento dado, podremos encontrar en el líquido extracelular las siguientes formas del xenobiótico (Fig. 4.2): a) Compuesto primitivo libre. b) Compuesto primitivo unido a proteínas (forma de transporte). c) Compuesto en una o varias formas activas. d) Derivados inactivos. e) Derivados excretables. 04 toxicologia alim 24/11/08 12:28 Página 117 BIOTRANSFORMACIONES DE LOS TÓXICOS Figura 4.2. Formas del xenobiótico en el líquido extracelular. La mayor parte de los xenobióticos de interés toxicológico son lipófilos, cualidad que les permite atravesar las membranas biológicas, y por esta misma razón son dificilmente eliminables por la principal vía de excreción, que es la orina. Al objeto de incrementar esta posibilidad, el organismo somete al xenobiótico a una serie de transformaciones que fueron clasificadas por Williams (1969) en dos grupos: Fase I.- Comprende aquellas biotransformaciones que aumentan la hidrosolubilidad del compuesto mediante la introducción de grupos o funciones de carácter polar, como OH – , NH 2 + , COH, COOH, SH–, etc. que, además, por ser más reactivos, capacitan al compuesto para experi- Tabla 4.1. Biotransformación 117 mentar la fase siguiente; generalmente, de un mismo compuesto se derivan varios metabolitos, algunos de los cuales son más tóxicos que el compuesto original. Fase II.- Está constituida por las reacciones de conjugación, en las que sustancias con los grupos polares aludidos se unen a reactivos endógenos para formar derivados aún más hidrosolubles; sólo en algunos casos, como en la acetilación de ciertas sulfamidas, el derivado es menos hidrosoluble y cristaliza en el riñón. Según exponemos en la Tabla 4.1, las sustancias hidrosolubles muy polares, se excretan directamente por la orina; las poco polares Posibilidades toxicocinéticas de las sustancias. Producto hidrosoluble Producto liposoluble Muy polar Poco polar Metabolizable Poco metabolizable FASE I (Polarización) — — X X FASE II (Conjugación) — X X Eliminación X X X Secuestro fisicoquímico Alquilante Secuestro químico 04 toxicologia alim 24/11/08 12:28 Página 118 118 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL requieren ser conjugadas previamente. Por su parte, los xenobióticos liposolubles metabolizables han de experimentar las reacciones de las Fases I y II, en tanto que los poco biotransformables quedan retenidos en los lípidos del organismo y sólo serían excretables con la bilis por las heces y en menor proporción por la leche. Finalmente, las sustancias (sean primitivas o sus metabolitos) muy reactivas se unirán químicamente, por un tiempo variable, a moléculas orgánicas. También es posible una Fase III, cuando se biotransforman de nuevo los conjugados formados en la Fase II. Tabla 4.2. BIOTRANSFORMACIONES EN LA FASE I Ó DE PRIMER PASO Consisten fundamentalmente en reacciones de oxidación, reducción e hidrólisis, catalizadas por diferentes enzimas (Tabla 4.2) que, aunque son más abundantes en el hígado, se hallan repartidas por todo el organismo y presentan especial actividad en algunas localizaciones, como se esquematiza en la Figura 4.3 y se representa en las Figuras 4.4, 4.5, 4.6, 4.7, 4.8, 4.11 y 4.14. Otras biotransformaciones de gran interés toxicológico, como la transtiolación, se verán en el capítulo de Mecanismos de toxicidad. Reacciones de Fase I y enzimas implicadas Reacción Enzimas Ejemplos 1. Oxidación a. Deshidrogenasas Alcoholdeshidrogenasas b. Oxidasas c. Oxigenasas Monooxigenasas (MFO) Dioxigenasas d. Ciclooxigenasas 2. Reducción Reductasas Aminorreductasas Glutatión reductasas Nitrorreductasas Quinonarreductasas 3. Hidrólisis Hidrolasas Esterasas Carboxilesterasas Colinesterasas Fosfatasas Lipasas Amidasas 4. Desalquilación Desalquilasas Oxidasas 5. Hidratación Hidratasas Epóxidohidrolasas 6. Isomerasas 04 toxicologia alim 24/11/08 12:28 Página 119 BIOTRANSFORMACIONES DE LOS TÓXICOS 119 Figura 4.3. Localización de algunas transformaciones enzimáticas. Aunque las enzimas están distribuidas por todo el organismo, en algunos tejidos y particularmente en determinados lugares de los mismos existe mayor actividad de ciertas enzimas. I.1. Reacciones de oxidación Puede afirmarse que las más importantes biotransformaciones que experimentan los tóxicos se basan en reacciones de oxidación y de reducción, que siempre se producen emparejadas, ya que para que una molécula se oxide otra se debe reducir, y esto puede volver a repetirse, por lo que reciben el nombre de reacciones de oxidación-reducción y ciclos redox. Se desarrollan bien por introducción de oxígeno o eliminación de electrones (hidrógeno) en el sustrato, con participación de donadores o aceptores de los mismos. Estos procesos bioquímicos oxidativos son catalizados por tres grupos principales de enzimas: a) Deshidrogenasas: La reacción catalizada por ellas puede representarse como sigue, simbolizando por X al sustrato, por XH2 al sustrato reducido, por A al aceptor de electrones, y por AH2 el compuesto que queda reducido: Enzima → X + AH XH2 +A 2 ← Como ejemplos tenemos la oxidación de etanol a acetaldehído, y la de metanol a formaldehído (Fig. 4.4). b) Oxidasas: Catalizan oxidaciones en las que el oxígeno es el aceptor de electrones y resulta reducido a agua, o bien transformado en peróxido de hidrógeno (agua oxigenada) o en radical superóxido. 04 toxicologia alim 24/11/08 12:28 Página 120 120 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Las monoxigenasas son microsómicas y no microsómicas (véanse a continuación los apartados c.1 y c.2); precisan la participación de un segundo sustrato o cosustrato que cede electrones para reducir el átomo de oxígeno, que se reduce a agua; normalmente el consustrato es NADH o NADPH. Consideremos las oxidaciones con más detalle: Figura 4.4. Exarcebación de la toxicidad. El metanol se metaboliza pasando por formaldehído y ácido fórmico; en el ojo, el proceso desacopla la fosforilación oxidativa en la retina, y origina floculación de proteínas con necrosis del nervio óptico y ceguera. Enzima XH4 + O2 → X + H2O XH2 + O2 → X + H2O2 XH + O2 → X + 1/2O2–· c) Oxigenasas: Catalizan la incorporación de oxígeno al sustrato; se subdividen en: 1. Monooxigenasas: se denominan también hidroxilasas y oxidasas de función mixta porque del oxígeno molecular llevan un átomo para formar agua (como las oxidasas) y otro al sustrato; originan grupos alcohol y epóxido. XH + O2 + 2H+ → XOH + H2O Los epóxidos (Fig. 4.5) son muy tóxicos y cancerígenos, por su gran reactividad con lípidos, proteínas y ADN. (véase Cap. 7). 2. Dioxigenasas: incorporan los dos átomos de oxígeno al sustrato, por lo que también reciben el nombre de oxígeno-transferasas: X + O2 → XO2 Figura 4.5. Formación de un epóxido cancerígeno. c.1. Oxidaciones microsómicas de función mixta (MFO) Estas oxidaciones están catalizadas por un sistema multienzimático no específico, constituido por diferentes monooxigenasas (véase párrafo anterior), localizadas en el retículo endoplásmico. Este sistema se simboliza con las siglas MFO, que significan oxidasas de función mixta. En el interior de la célula, bañado por el citoplasma, está el retículo endoplásmico o ergastoplasma, consistente en un laberinto de tubos comunicados por los que circulan las sustancias que se van a metabolizar. El ergastoplasma aparece al corte como membranas o vesículas de dos tipos, denominados retículo endoplásmico liso (REL) y retículo endoplásmico rugoso o granular (RER), así denominado por mostrar en su superficie los ribosomas, encargados de la síntesis proteica; en las membranas del REL se hallan las enzimas metabolizadoras. Parece que cuando llega una sustancia al citoplasma, el RER sintetiza las enzimas necesarias y los ribosomas que intervienen se desprenden, con lo que el RER se transforma en REL; por ello, si la sustancia que llegó fue un inductor enzimático, el REL experimenta una notable proliferación. Una vez que se desarrollan las reacciones enzimáticas metabólicas, el aparato de Golgi se encargará de excretar los productos fuera de la célula. Los microsomas son fracciones de retículo endoplásmico, y pueden separarse mediante homogeneización de un tejido y centrifugación fraccionada. Si se prepara un homogeneizado en sacarosa 0,25 M y se centrifuga a 700  G durante 10 min, se separan las células intactas, núcleos y restos; el sobrenadante se centrifuga ahora a 15.000  G durante 10 min, y se separan las mitocondrias; después se centrifuga el sobrenadante (que ahora recibe el nombre de fracción postmitocondrial) a 100.000  G durante 60 min y se logra 04 toxicologia alim 24/11/08 12:28 Página 121 BIOTRANSFORMACIONES DE LOS TÓXICOS decantar los microsomas, que representan un 15-20 por 100 de la masa celular total. Los constituyentes microsómicos (solubles o no) que rigen los procesos de oxidorreducción son: Cosustratos: NAD y NADH NADP y NADPH FAD y FADH FMN y FMNH Enzimas oxidasas: Sistemas MFO - cit P-450 reductasa MFO – FAD Enzimas acopladas: NADPH – cit P-450 reductasa Estos constituyentes no sólo se encuentran en el hígado, sino en otros tejidos como el riñón, pulmón, corteza suprarrenal, mucosa intestinal, etc. Recordemos en que consisten: NAD+ y NADH (Nicotinamida-adenín dinucleótido difosfato y su forma reducida). Intervienen fundamentalmente en los procesos respiratorios. NADP+ y NADPH (Nicotinamida-adenín dinucleótido trifosfato y su forma reducida). Es un derivado de la vitamina PP e interviene como coenzima o cosustrato de las enzimas oxidasas u oxigenasas, según el esquema: O2 → H2O NADPH  X → X-O NADP FAD (Flavín-adenín dinucleótido). Se reduce a FADH FMN (Flavín-mononucleótido): Derivado de la vitamina B2 (riboflavina). Se reduce a FMNH. Figura 4.6. Inactivación de aminas. 121 cit P-450 (citocromo P-450). La P significa pigmento, y el 450 es la longitud de onda donde tiene su absorción espectral máxima el complejo que este citocromo forma con el monóxido de carbono. Los citocromos son enzimas oxidasas, constituidas por proteina con hierro ligado (porfirina, hemoproteína o hemotiolato de proteina); están presentes en los microsomas y en las mitocondrias y juegan el papel principal en la actividad de la mayoría de las MFO. Son las oxidasas terminales de las cadenas de oxidorreducción para la mayoría de los xenobióticos; mediante el cambio reversible de su hierro de ferroso a férrico, favorece el intercambio de electrones. Los electrones necesarios para su posterior reducción son suministrados por la enzima acoplada NADPH-citocromo P-450 reductasa, flavoproteína que transfiere dos electrones al cit P-450 desde la NAD (P) H. De este citocromo se han identificado diversas isoenzimas que tienen actividades específicas sobre distintos sustratos y presentan diferencias electroforéticas y espectrales (los máximos de absorción del complejo con CO están a 446, 448, etc.), por lo que se dice que forman una superfamilia de enzimas, cuya síntesis está regida por más de 100 familias de genes, con sus correspondientes subfamilias y variedades individuales; esta diversidad explica, en gran medida, las variaciones en la biotransformación y toxicidad de muchos xenobióticos frente a las diferentes especies e incluso los distintos individuos, y ha sido preciso elaborar una nomenclatura y simbología para dominar esta clase de polimorfismo enzimático. Así, para aludir a la familia se propuso utilizar los ordinales romanos: I, II, III, IV, XI, XVII, XIX, XXI, etc. (aunque muchos usan actualmente los números arábigos), seguidos de letras mayúsculas, de la A a la E, para señalar la subfamilia, y por números arábigos que indican el gen individual que ordena la síntesis. Así, el citocromo 04 toxicologia alim 24/11/08 12:28 Página 122 122 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Figura 4.7. Mecanismos de aumento y de disminución de la toxicidad del plaguicida organofosfato paratión, primero por desulfuración oxidativa y después por hidrólisis. designado antes como cit P-480, se denomina ahora cit P-450 IA 1, y el gen que lo sintetiza como CYPIA 1, si bien algunos autores simbolizan con CYP al citocromo. Las familias 1, 2 y 3 de CYP constituyen los principales biotransformadores de xenobióticos en mamíferos. Puede consultarse una lista completa de CYPs en la página Web: <http://drnelson.utmem.edu/cytochromeP450.html>. Como hemos indicado, los citocromos tienen sustratos específicos. Así, por ejemplo: Entre las isoformas de CYP, la CYP2E1 juega importante papel en la biotransformación y activación de compuestos lipófilos a intermediarios tóxicos o carcinógenos. El cit CYPIA 1 oxida los hidrocarburos policíclicos, que son moléculas grandes, rígidas, con anillos heteroaromáticos coplanares, y son buenos acepto- Figura 4.8. res de electrones. La familia CYP1 es más abundante en pulmón, linfocitos y placenta que en hígado; la CYP1A2 constituye el 10% del CYP hepático. La síntesis de las isoenzimas PIIB es inducida por el fenobarbital; sus sustratos son moléculas globosas, no planares, con gran flexibilidad conformacional, y son pobres aceptores de electrones; esta CYP2 es la familia CYP más frecuente en mamíferos y es activadora de carcinógenos (Tabla 4.3). La subfamilia cit PIIC de los humanos participa en el metabolismo de numerosos xenobióticos; así, el cit P II C8 interviene en la hidroxilación aromática de warfarina y fenitoína; el cit P II metaboliza la tolbutamida y algunos antiinflamatorios no esteroideos; el cit P II C 18 hidroxila la S-mefenitoína y, al contrario que el anterior, no es inhibido por sulfafenazol. Los sustratos de las isozimas del cit P II D son moléculas con un grupo básico nitrogena- La intervención de una enzima desclorhidrasa transforma el DDT en DDE, menos tóxico. 04 toxicologia alim 24/11/08 12:28 Página 123 BIOTRANSFORMACIONES DE LOS TÓXICOS 123 Figura 4.9. Inactivación de aminas. do, especialmente los que se ionizan a pH fisiológico, como por ejemplo, debrisoquina, esparteína, propranolol (que sufren hidroxilación aromática), metoprolol (hidroxilación alifática), amiflamina (N-desalquilación), etc. Se inhiben por quinina y su diastereoisómero quinidina. También la familia cit P III A interviene en el metabolismo de numerosas sustancias, fundamentalmente liposolubles y globosas, como la ciclosporina A, nifedipina, verapamilo, etc. La función del cit P-450 (CYP) es la de transportar un átomo de oxígeno desde la molécula de éste hasta el sustrato; el O remanente se reduce a agua, con intervención de reductores equivalentes del cofactor NADPH y, en ocasiones, de NADH. Tabla 4.3. Isoenzima Parece que el CYP forma un complejo multimérico en la membrana endoplásmica con la flavoproteína NADPH-reductasa. Después de las transferencias electrónicas, queda un complejo (Fe2– O-2) altamente activado, que puede transferir O al sustrato o liberar especies activas de oxígeno, como peróxido de hidrógeno y otras (Fig. 4.10). Se acepta que la escisión heterolítica del enlace O-O y la unión de dos protones origina una molécula de agua y (FeO)3+ intermediario, con gran potencial de transferencia de O, que pasa al sustrato. El esquema de una cadena de oxidorreducción microsómica lo podemos ver en la Figura 4.10. Principales isoenzimas del citocromo P 450 en humanos. Ejemplos de sustrato Toxifica Destoxica CYP 1A1 Hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP). Benzopireno Cafeína CYP 1A2 Aminas aromáticas, 2-aminofluoreno Cafeína cafeína, fenacetina, warfarina, aflatoxinas. CYP2A6 Nitrosaminas, cumarinas, aflatoxinas. Nitrosodietilamina Cafeína CYP 2B6 Nicotina, ciclofosfamida. 6-aminocrisina Nicotina CYP 2C8 Retinoides. CYP 2C9 Diclofenaco, ibuprofeno, fenitoína, tolbutamida. CYP 2C19 Mefenitoína, omeprazol. CYP 2D6 Debrisoquina, dextrametorfan, propranolol. CYP 2E1 Benceno, dimetilnitrosamina, etanol. Acetaminofeno Etanol CYP 3A4 Acetaminofeno, aflatoxinas, Aflatoxina B Eritromicina hormonas esteroides. Estatinas Antidepresivos ISRS 04 toxicologia alim 24/11/08 12:28 Página 124 124 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Figura 4.10. Cadena de oxidación-reducción microsómica respiratoria. Los metabolitos activos que se producen pueden dar lugar, como se verá, a dos tipos de reacciones: 1º Uniones covalentes a otras biomoléculas, incluida la inactivación de la propia enzima que los produce (cit P-450), en lo que se conoce como reacción suicida. 2º Peroxidación de los lípidos celulares. Según: Uniones covalentes a: cit P + Xenobiótico →   → cit P-X →Ácidos nucleicos.  Proteínas. Inhibición citocromo. Lipoperoxidación. El sustrato XH se une al P-450 y finalmente es hidroxilado (XOH), al tiempo que la NAD+ pasa a NADH + H. p-Fe. Es otra proteína con hierro, hasta ahora poco estudiada. La presencia de carbonos quirales da lugar a enantiómetros de diferente toxicidad: así cuando el 3,4-benzopireno (considerado procarcinógeno) es oxidado por las MFO, dependientes del cit P-450, a (+) 7R,8S epóxido, con formación del anillo, triangular entre los carbonos 7 y 8 y un oxígeno, se convierte en carcinógeno; el anillo puede ser hidrolizado posteriormente por enzimas epoxidohidrolasas o epoxidrasas (EH) a (-)benzopireno,7R,8R dihidrol (véase apartado I.5); el epóxido es cancerígeno, pero el dihidrol no lo es; sin embargo, éste puede ser nuevamente oxidado a (+)benzopireno,7R, dihidrol, 9S, 10R epóxido, que posee los grupos hidroxilos y el epóxido en posición trans, y que resulta más tumorígeno que otros enantiómeros que también se forman; igualmente, el (-)benzopireno,7R,8R dihidrol es diez veces más carcinógeno que el enantiómero (+)-7S,8S dihidrol. FAD (flavin-adenin-dinucleótido). Constituye el grupo prostético de la segunda familia de enzimas oxidantes flavin mono-oxigenasas, por su actividad en la biotransformación de xenobióticos, integrantes de los sistemas de oxidasas microsómicas de función mixta (MFO). El FAD se reduce a FADH2 por NADPH, que pasa a NADP+ y permanece unido a la enzima. Cuando el FADH se une al oxígeno, se forma el hidroperóxido FADH-4α-OOH; ahora la enzima transfiere el O al sustrato, se libera agua y FAD y se disocia NADP+. El potencial oxidativo de esta MFO con FAD es menor que el de los CYP; sus sustratos son «blandos», con átomos de N, S (heteroátomos), y forman óxidos de N o de S. Un sustrato característico es la tiourea y sus derivados (tiocarbamatos) en que se oxida el grupo SH formando un sulfinato (SO2H) reactivo que lesiona los tejidos en que se origina (preferentemente pulmón) si no encuentra suficiente glutatión para conjugarse, como ocurre con el paracetamol (véase más adelante). Hay descritos cinco miembros de esta familia en humanos, cuyas isoenzimas comparten el 50-60% 04 toxicologia alim 24/11/08 12:28 Página 125 BIOTRANSFORMACIONES DE LOS TÓXICOS de las secuencias de aminoácidos. No parece que sean inducibles. c.2. Oxidaciones no microsómicas Hay otras oxidorreductasas que no se encuentran en el retículo endoplásmico y por tanto no pertenecen al sistema microsómico de función mixta (MFO), sino que se hallan en las mitocondrias y fracción soluble del citoplasma (citosol) que queda sobrenadante después de centrifugar a 100.000 x G Figura 4.11. Metabolismo de las bases púricas. 125 homogeneizados de diversos tejidos (SN, riñón, mucosa intestinal, etc.). Entre ellas están las alcoholdeshidrogenasas, que oxidan los alcoholes a aldehídos y cetonas; las aldehidooxidasas, que oxidan los aldehídos a sus correspondientes ácidos, y las aminooxidasas (monoamino y diaminooxidasas, MAO y DAO), que transforman en aldehídos y amoníaco (por desaminación oxidativa) aminas alifáticas primarias, secundarias o terciarias, pero no aquellas que tienen un sustituyente en el carbono adyacente (como la anfetamina o la efedrina). Como ejemplo 04 toxicologia alim 24/11/08 12:28 Página 126 126 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL También oxidan a gran número de xenobióticos con grupos aminas primarias, secundarias o terciarias, originando aldehídos, amoniaco u otras aminas, más agua oxigenada (Figs. 4.6, 4.7, 4.11, 4.13). Existen, igualmente, las diaminooxidasas (DAO) que oxidan compuestos con dos funciones amina (Figs. 4.6, 4.7, 4.11, 4.13, 4.14). d. Ciclooxigenasas (COX) Figura 4.12. Ejemplos de acetil-conjugación. de desaminación oxidativa de amina primaria tenemos el paso de mezcalina a ácido fenilacético; la histamina es degradada por DAO. c.2.1. Alcoholdeshidrogenasas (ADH) Son enzimas no microsómicas muy repartidas por todo el organismo, principalmente presentes en hígado, mucosa gástrica, testículos, etc., cuya función es la de hidroxilar a compuestos endógenos y exógenos, como por ejemplo, las hormonas sexuales y alcoholes como el etílico, metílico, etc. Se encuentran unidas a la membrana del retículo endoplásmico. Son enzimas sintetasas de prostaglandinas y compuestos relacionados (prostanoides), sustancias de carácter hormonal que modulan la actividad de otras hormonas y también participan en la contracción uterina durante el parto y en las reacciones inflamatorias. La síntesis de los prostanoides se produce a partir del ácido araquidónico mediante reacción en dos pasos; primeramente, la ciclooxigenasa forma un endoperóxido (-OOH), originando la prostaglandina PG G2; en el segundo paso, la enzima actuando como hidroperoxidasa reduce dicho grupo a hidroxilo y forma PG H2, para lo cual utiliza como aceptores de oxígeno o donantes de electrones a sustratos lipofílicos con bajo potencial redox, como fenoles o aminas aromáticas (benzopirenos, paracetamol, etc.) que pudieran estar presentes, que pueden pasar a quinonas. Actúan así como oxidantes de xenobióticos sin participación directa del oxígeno, proceso que se conoce como co-oxidación; en el proceso también se pueden generar radicales libres. Las COX están presentes en la mayoría de los tejidos, principalmente en riñón y vejiga, lo que hace pensar en que participen en la activación de carcinógenos de estos órganos. c.2.2. Monoaminooxidasas (MAO) I.2. Reacciones de reducción Son flavoproteínas localizadas en el exterior de la membrana mitocondrial, muy ubicuas en los mamíferos; existen en las formas MAO-A y MAO-B. Su actividad fisiológica principal es la inactivación de neurotransmisores como adrenalina, serotonina, dopamina etc., por desaminación oxidativa, por lo que la inhibición de la enzima por xenobióticos puede conducir a situaciones patológicas. Son catalizadas por reductasas microsómicas y citosólicas y por las de las bacterias intestinales. Existen nitrorreducciones capaces de llevar sucesivamente grupos nitro a nitroso y a amina (ejemplos, nitrobenceno y nitrazepam). Se pueden saturar dobles enlaces (-C = C-), llevar a aminas primarias los -N = N-, como el del prontosil o reducir grupos carbonilos. 04 toxicologia alim 24/11/08 12:28 Página 127 BIOTRANSFORMACIONES DE LOS TÓXICOS 127 Figura 4.13. Metabolitos del ácido salicílico. Por reducción también se eliminan átomos de halógeno. Asimismo, los compuestos metálicos pueden ser reducidos u oxidados. Por ejemplo, el cromo se absorbe principalmente en forma de Cr(VI) que, por la acción aislada o combinada de la citocromo P-450 reductasa y el citocromo b5, es reducido a Cr(V), Cr(IV) y Cr(III), los tres muy reactivos, especialmente el último que, junto con especies reactivas de oxígeno que se liberan en el proceso, es citotóxico, mutagénico y carcinógeno. Una interesante variedad de reducciones es la que pueden experimentar las quinonas que, según la enzima que participe, siguen una de estas dos vías (Fig. 4.15): 1. reducción por un único electrón, mediante la cit-P-450-reductasa, con formación de un anión superóxido y consiguiente aumento de la toxicidad y carcinogenicidad. 2. reducción por dos electrones por intervención de una enzima quinona-reductasa (por ejem- 04 toxicologia alim 24/11/08 12:28 Página 128 128 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Figura 4.14. Exarcebación de la toxicidad. Metabolismo del benceno. Cuando la oxidación de éste a fenol tiene lugar en la médula ósea, se produce lesión caústica en ella y anemia aplásica. Figura 4.15. Quinonarreductasa. 04 toxicologia alim 24/11/08 12:28 Página 129 BIOTRANSFORMACIONES DE LOS TÓXICOS plo, la DT-diaforasa), con formación de hidroquinona, hidrosoluble y que forma fácilmente conjugados, y resulta poco tóxica. Las especies reactivas de oxígeno, formadas en la primera de las vías citadas, son capaces de activar a una secuencia del ADN, llamada por Rushmore y Pickett en 1990 elemento de respuesta antioxidante (ARE), y aumentar la expresión del m-ARN quinona-reductasa, como una actuación de tipo defensivo; los xenobióticos que inducen esta enzima también lo hacen con la glutatióntransferasa (véase más adelante). Se ha visto que el ARE responde también al metilcolantreno y otros ligandos del receptor Ahr. Entre las quinona-reductasas, la DT-diaforasa, que actualmente se denomina NAD(P)H quinona-oxidorreductasa (NQOR), es una flavoproteína dimérica. Su cinética se conoce como de mecanismo «pingpong» por la formación de dos complejos binarios; actúa por transferencia de dos electrones y formación de una semiquinona muy reactiva y tóxica. Se inhibe por grandes concentraciones de sustrato o de cofactor, y por las cumarinas, y se induce por las dioxinas (TCDD). 129 pación de átomos de oxígeno, nitrógeno o azufre; el proceso suele incluir uno o dos pasos de oxidación, generalmente con participación del citocromo P-450 (oxidasas de función mixta, MFO); así, por ejemplo, los compuestos alquílicos alifáticos forman un alcohol y un aldehído, y los ésteres aromáticos se transforman en fenoles, y el grupo alquilo se oxida a aldehído: RO – CH3 → ROH + HCHO O bien a partir de átomos de nitrógeno o de azufre:     – N – CH2 – R → – N – COH – R → – NH + HC = O Por procesos similares, normalmente de tipo reductor, se eliminan átomos de halógenos (deshalogenación). I.5. Hidratación Destaca la experimentada por los epóxidos, que suelen ser cancerígenos, transformándose en dioles (en general inactivos) por las hidratasas microsómicas (epóxido hidrolasas) (véase más adelante). I.3. Hidrólisis La hidrólisis de numerosos ésteres, amidas y compuestos sustituidos es efectuada por hidrolasas o esterasas separables tanto en la fracción microsómica como en la soluble; hay en el plasma (colinesterasa y otras), en los eritrocitos y tejido nervioso (acetilcolinesterasa), y en otros tejidos (carboxilesterasas, lipasas, fosfatasas, amidasas, etc.). Las amidasas son menos activas que las esterasas. Las hidrolasas llevan, por ejemplo, la heroína a morfina, la cocaína a ecgonina. En el intestino, la beta-glucuronidasa y la arilsulfatasa hidrolizan a los conjugados, lo que permite el ciclo enterohepático. Las proteínfosfatasas son enzimas citosólicas que catalizan la desfosforilación por hidrólisis de las proteínas fosforiladas. I.4. Desalquilación Supone la ruptura de la molécula con separación de grupos arilo o alquilo con liberación de la función que enlazaba, principalmente con partici- Tabla 4.4. Características de las enzimas de los procesos oxidativos. a. Deshidrogenasas: no microsómicas b. Oxidasas microsómicas y mitocondriales c. Oxigenasas c.1. Monooxigenasas (MFO): microsómicas c.1.1. Con Fe c.1.1.1. Con grupo hemo: cit P 450NADPH-óxidoreductasa c.1.1.2. Sin grupo hemo. c.1.2. Sin Fe c.1.2.1. Metaloproteínas, con Cu, Se, Mn, etc. c.1.2.2. Flavoproteínas:flavinoxidasas c.2. Dioxigenasas: MAO, DAO: no microsómicas; mitocondriales y citosólicas d. Ciclooxigenasas (COX): microsómicas Actúan sin participación directa del oxígeno e. DT-diaforasa=NAD (P) H Quinona-óxido-reductasa (NQOR) Deshalogenación Hidrólisis Acetofenetidina, Codeína (morfina) Metiltiopurina R1-N-R2 → R1N-H R1-O-R2 → R1-OH R1-S-R– → R1-SH N-desalquilación O-desalquilación S-desalquilación De amida De ésteres Acetilconesterasa Nitrosorreductasas Nitrosorreducción Azorreducción Nitrorreductasas Nitrosorreducción Alcoholdeshidrogenasa Clorpromazina Aminopirina, morfina -S_ → S=O Sulfóxido Cloranfenicol Acetilcolina -COOR → -COOH + RH Procainamida DDT (CI-C6H5)2-CH-C-Cl3 → (CI-C5H5)2–C= C-Cl2 Procaína -CONH– → -COOH + NH2 Succinilcolina Prontosil a sulfanilamida -R=N_ → 2-NH2 Nitrobenceno a anilina Nitratos R-NO2 → R-NH2 OH R-NO3 → R-NH2 OH Hidrato de cloral a tricloretanol R-C-H → R-C-H H Acetanilida Tiopental R=S → R=O Desulfuración OH Anilina, α−fenilhidroxilamina R2-NH → R2NOH Aminooxidasa C6H5-NH-R → p-OH-C6H5-NH-R N-hidroxilación 12:28 Hidroxilación aromática Trimetilamina CH3 CH3 R3N → R3N=O Aminooxidasa N-oxidación Anfetamina R-CH-NH2 → R-C= O Id De aminas Barbitúrico MAO, DAO De aminas Etanol Serotonina Id De cadena lateral → RCOOH R-CH2_OH → R-CHO R-CH3 → R-CH2OH Ejemplo R-CH-NH2 → R-CHO Oxidasas, deshidrogenasas Reacción C6H5-CH3 → C6H5-CH2OH Oxidasas, deshidrogenasas De alcohol/aldehído Enzimas Alifática Variedad 24/11/08 Reducción Oxidación Tipo Tabla 4.5. Principales biotransformaciones químicas. Fase I. 04 toxicologia alim Página 130 130 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL 04 toxicologia alim 24/11/08 12:28 Página 131 BIOTRANSFORMACIONES DE LOS TÓXICOS Tabla 4.6. Oxidación: 131 Algunos ejemplos de biotransformaciones. Microsómica: Clorpromazina Fenobarbital Fenacetina Anfetamina No microsómica: Etanol Mezcalina a a a a Sulfóxido p-hidroxifenobarbital N-acetil-p-aminofenol Fenilpropanona a a Aldehído y ácido acético Ácido fenilacético Sulfamildiaminoazobenceno Nitrobenceno a a Sulfanilamida Fenilhidroxilamina Anilina Procaína Cocaína Heroína a a a Ácido-p-aminobenzoico y dietilaminoetanol Ecgonina Morfina Reducción: Hidrolisis: Conjugación: Fenol Fenol Ácido benzoico Ácido benzoico + glicocola Sulfanilamida Histamina I.6. Isomerización Consiste en la transformación de una sustancia en otra que posee la misma fórmula química pero diferente estructura (cambio de estructura cis a la trans, o viceversa, véase Glosario), lo que puede ocurrir por acción de enzimas isomerasas, por simple cambios del pH, por la luz, la temperatura o la presencia de sustancias con superficies activas (catalizadores). Los distintos isómeros poseen distinta toxicidad. Resumen de biotransformaciones Fase I: — Oxidación e hidroxilación de cadenas alifáticas y alicíclicas. — Hidroxilación aromática. — Epoxidación e hidratación del epóxido. — Hidrólisis. — Desalquilación. — Desaminación oxidativa. — Fenil-glucuronato — Ácido fenilsulfúrico — Benzoiglucórico — Ácido hipúrico S acetilada Metilhistamina → Ácido metilimidazolacético — N-oxidación e hidroxilación. — Formación de sulfóxidos y sulfonas. — Desulfuración oxidativa. Así como: — Nitrorreducción (NO3– → NO2–), (NO2– → NH2). — Azorreducción (-N = N– → –NH2 + –NH2). — Deshalogenación reductora. INTERÉS TOXICOLÓGICO DE LOS EPÓXIDOS Los metabolitos más reactivos producidos en los procesos oxidativos de Fase I son los epóxidos, estructuras químicas constituidas por heterociclos triangulares, en los que el heteroátomo es el oxígeno (Fig. 4.5). Los dos átomos de carbono del anillo son centros muy electrófilos, que reaccionan fácil- 04 toxicologia alim 24/11/08 12:28 Página 132 132 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL mente con moléculas ricas en electrones, como, por ejemplo, las bases del ADN. Los cuatro sustituyentes en los carbonos modulan la reactividad del epóxido, ya que cuando aquellos son diferentes (sustituciones asimétricas), aumenta la reactividad de uno de los centros electrofílicos; por el contrario, la simetría tiene un efecto estabilizante. El anillo triangular se rompe por las enzimas epoxidohidrolasas (EH), especializadas en su hidrólisis, originando dioles que carecen de la reactividad de los epóxidos, aunque forman fácilmente conjugados. Sin embargo, algunos dioles producidos en la biotransformación de los hidrocarburos aromáticos policíclicos son de nuevo oxidados a epóxido, aunque en diferente posición y resultan potentes cancerígenos R1 O C R3 EH R4 H20 C R2 epóxido R1 OH R3 C C R2 OH R4 diol Las α y β epóxidohidrolasas constituyen una gran familia de enzimas que actúan en tres pasos: 1. Un resto de ácido aspártico de la enzima interviene como nucleófilo y se une al sustrato. 2. Un resto de histidina sustrae un protón H+ del agua, con lo que ésta queda activada; el protón realiza un ataque nucleofílico al anillo, con formación de un grupo oxidrilo. 3. Finalmente, el agua hidroliza al complejo enzima sustrato, liberando el diol formado. OH OH Asp hidrosolubles, sino también porque son más fácilmente reconocidos por las proteínas transportadoras y las que participan en el transporte activo y facilitado. Los compuestos endógenos son iones ácidos como el glucuronato, sulfato, acetato y aminoácidos; también se producen reacciones de alquilación, preferentemente metilación, en átomos de oxígeno, nitrógeno y azufre presentes en el xenobiótico; finalmente deben citarse las conjugaciones con glutatión (Figs. 4.9, 4.12, 4.13, 4.16, 4.17, 4.18, 4.19 y 4.20). Las conjugaciones son reacciones que consumen energía, lo que exige que uno de los reactivos, ya sea el xenobiótico o el conjugante, haya sido activado, generalmente con consumo de ATP. También requieren la participación de enzimas transferasas (glucuroniltransferasas, sulfotransferasas y sulfuroniltransferasas, metil o acetiltransferasas, glicin o glutamiltransferasas, glutatión-S-transferasas, etc.). Varias de ellas, como las glucuroniltransferasas son inducibles (véase Cap. 5). El donador del agente conjugante también es importante: para la acetilación es la acetilcoenzima A (AcCoA), para la metilación la S-adenosilmetionina (sintetizada a partir de L-metionina y ATP) o la vitamina B12, etc. Estos dos donadores de metilos son capaces de producir biometilación de numerosos metales, como mercurio, plomo, estaño, talio, y no-metales, como arsénico, antimonio, teluro y azufre; en general, los derivados metilados son excepción a la regla de metabolitos más hidrosolubles y además presentan una particular neurotoxicidad (Fig. 4.17). Efectivamente, como se detalla en la Tabla 4.8, los agentes alquilantes, a excepción del glutatión, han de ser activados a expensas de ATP. Así, el ion sulfato (SO42-), por acción de la enzima sulfurilasa se transforma en adenosinfosfato (APS) y éste, por BIOTRANSFORMACIONES EN LA FASE II O DE SEGUNDO PASO Consisten en reacciones de biosíntesis mediante conjugación o adición en las que grupos reactivos (oxidrilo, amino, carboxilo, epóxido, halogenuro, etc.) del xenobiótico o sus metabolitos (productos de la Fase I) se unen a sustancias endógenas para originar compuestos más fácilmente eliminables por la orina o la bilis no sólo porque resultan más Tabla 4.7. Biotransformaciones Fase II. Requerimientos para las conjugaciones y alquilaciones Elemento Metabolito polar Procedencia Fase I Agente conjugante Un donador ATP Fosforilación oxidativa Enzimas transferasas 04 toxicologia alim 24/11/08 12:28 Página 133 BIOTRANSFORMACIONES DE LOS TÓXICOS 133 Figura 4.16. Modificación metabólica de la toxicidad del naftaleno, que al reaccionar con la cisteína del cristalino, conduce a cataratas. la APS-fosfoquinasa, en 3’-fosfadenosina-5’-fosfosulfato (PAPS) sobre el que actúa la sulfotransferasa (SULT), enzima polimórfica, para llevar al sustrato un grupo SO3- . En la acetilación, el grupo acetilo (CH3-COO-) procede de la acetilcoenzima A, en cuya formación se consume ATP. Por su parte, el ácido glucurónico es incapaz de conjugar si no es biosintetizado, a partir de glucosa, como ácido uridín-fosfoglucurónico activo, según se expone en la Figura 4.18. Figura 4.17. Reacción de transmetilación, con S-adenosil-metionina (SAM) como donador. Es importante tener en cuenta que los seres vivos no siguen una única vía en la biotransformación de los xenobióticos, sino que, a partir de un mismo tóxico, en la Fase I se originan varios metabolitos y en la Fase II distintos conjugados, aunque en diferentes proporciones según las actividades de las enzimas intervinientes. También debe tenerse claro que los conjugados no siempre son compuestos de menor toxicidad que el xenobiótico originario; así, por ejemplo, los compuestos que contienen un grupo carboxilo (-COOH) forman acil-glucurónidos, que posteriormente pueden sufrir una transesterificación intramolecular con emigración del grupo acilo a hidroxilos en otras posiciones que, a pH alcalinos se unen, a veces de forma irreversible, a proteínas. Al tratar de las conjugaciones con glutatión veremos otras reacciones de toxicación a partir de haloalcanos, haloalquenos e hidroquinonas. Especial mención requiere la conjugación con glutatión; éste es un tripéptido, concretamente γ-L-glutamil-L-cisteinil-glicina, con un grupo tiol Cisteína Glicina Esteres con aminoácidos Catecol-O-metiltransferasa (COMT) Metilación Reacción Anilida Mercaptobenzotiazol Fenol → éster glucurónico Ácido Nitrobencenos halogenados 4.º Acetilación → mercaptúrico N-Metilación hidroxinaftaleno HOC6H4COO + Gli → HOC6H4CONHCH2COOH Naftaleno, organomercúricos BAL Feniletanolamina, histamina (adrenalina, serotonina) Metilación de OH fenólicos Hidrocarburos halogenados 3.º Hidrolisis → arilcisteína O-Metilación Hidrocarburos aromáticos 2.º Conjugación con hidrocarburos aromáticos 1.º Activación de glutatión 3.º UDPGA +OH p-hidroxicetanilida 2.º UDPG → UDP - ácido glucurónico Alcohol Ácido benzoico Sulfanilamida p-hidroxiacetanilida Ejemplos 1.º 6-GP + UTP → UDPG + P2 2.º AcEnz + Substrato → AcSubs + Enz 1.º Enz + AcCoA → AcEnz + CoA APS + fenol → sulfato (sulfato activado) SO4 + ATP → Adenosinfosfosulfato (APS) = S-metiltransferasa + S-adenosilmetionina S-Metilación N-metiltransferasa (PNMT + metionina) Glutationtransferasa Glucuroniltransferasa UDPG deshidrogenasa Mercaptoderivado Glucuronación N-acetiltransferasa 2.º Sulfotransferasa 1.º Sulfurilasa Enzimas 12:28 Acetilación Sulfatación Tipo Principales mecanismos de conjugación (Adición). Fase II. 24/11/08    Tabla 4.8. 04 toxicologia alim Página 134 134 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL 04 toxicologia alim 24/11/08 12:28 Página 135 BIOTRANSFORMACIONES DE LOS TÓXICOS 135 Figura 4.18. Formación de glucurónidos. (GSH) o mercaptano, cuyo componente fundamental es la función -SH de la cisteína, que desempeña diversos papeles toxicológicos. Por un lado, interviene en las reacciones de oxidación-reducción, ya que por actuación de enzimas glutatión oxidasas se oxida a disulfato (GSSG), reversible por participación de las glutatión-reductasas. Por tanto, es un importante antioxidante, reductor, captador de radicales y cosustrato de las enzimas glutatión transferasa y peroxidasa. Esta es inducida por numerosos xenobióticos. Puede regenerar proteínas oxidadas mediante reducción de los enlaces disulfuro, en una reacción de dos pasos catalizadas por la tiol reductasa. La GSH hepática experimenta cambios circadianos, pues su nivel es, en humanos, más alto por la mañana y más bajo al anochecer. Por esta capacidad de oxidación-reducción actúa como protector de las estructuras biológicas en procesos oxidativos y peroxidativos, con participación de dos enzimas glutatión peroxidasas, una de las cuales es selenio dependiente. El mecanismo principal es la reducción del agua oxigenada e hidroperóxidos orgánicos (véase capítulo de mecanismos de toxicidad). Por otra parte, el glutatión se conjuga con una gran variedad de compuestos lipófilos portadores de un grupo electrófilo, generalmente formado por acción de las monooxigenasas citocromo-P-dependientes; la gran reactividad de estos agentes electrófilos sobre compuestos nucleófilos, como proteínas y ácidos nucleicos, da lugar a necrosis tisulares, lo que puede evitarse en tanto la célula disponga de glutatión; éste puede consumirse en la conjugación o por la llegada de agentes que producen su drástica depleción, como el dietilmaleato. Los conjugados del glutatión son aductos de su componente L-cisteína acetilada, con los referidos compuestos electrófilos aniónicos (epóxidos, radicales libres, hidroperóxidos, cloruros de acilo y otros organohalogenados, etc.), que se excretan por bilis y orina como derivados del ácido mercaptúrico. Como procedimiento para estimar la capacidad alquilante de xenobióticos y sus metabolitos, se ha propuesto la determinación del tipo y cantidad de los mercaptúricos excretados. En la formación de estos derivados intervienen varias enzimas, principalmente las glutatión-S-alquil (o aril) transferasas, tanto intra como extrahepáticas. Esta familia de enzimas, que se simboliza como GST, y cataliza el ataque nucleófilo del glutatión sobre los compuestos electrófilos, es de una gran complejidad, ya que existe tanto en el citosol como en los microsomas, es muy polimórfica al estar codificada por ocho familias de genes, y se presenta tanto en forma de homodímero como de heterodímero. Los individuos expuestos a xenobióticos manifiestan elevación de la GST citosólica, sobreexpresión que tiende a defender al sujeto del tóxico, pero que también disminuye la eficacia de medicamentos quimioterápicos, particularmente de los agentes alquilantes (Pickett, 2001). En respuesta a muchos xenobióticos se activa la transcripción de algunos genes GST, con aumento del m-ARN 04 toxicologia alim 24/11/08 12:28 Página 136 136 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL seguido de incremento de la enzima y de su actividad; en dicha activación participan las fracciones de ADN llamadas ARE (véase I.2. Reacciones de reducción. Quinona-reductasa), y los xenobióticos que elevan las GST también lo hacen con la mARN quinona-reductasa. Un ejemplo de la intervención defensora del GSH lo tenemos en la intoxicación por el analgésico p-acetamol (p-acetilaminofenol). Éste es oxidado en el hepatocito por monooxigenasas dependientes del citocromo P-450, a benzoquinonimina, compuesto electrófilo muy reactivo que es inactivado por el GSH; cuando éste se agota, el metabolito produce necrosis hepática (Fig. 4.19). Como acabamos de indicar, una vez que el tripéptido glutatión (GSH) se une al grupo reactivo del xenobiótico o de su metabolito, normalmente se separan los restos de glutámico (por acción de la glutamil-transferasa) y de glicina (por la glicil-transferasa) quedando sólo conjugada la cisteína, unida por el grupo sulfhidrilo; este conjugado se puede acetilar a la forma N-acetilcisteína o ácido mercaptúrico: GSH + X – → GSX → Glu + Gly + CysX CysX + CH3CO– → X—S—CH2 —CHCOOH | NCOCH3 excretable por la bilis y por la orina, pero no siempre es así. Antes de esta acetilación, sobre el conjugado de glicina puede actuar la enzima ß-liasa que rompe el enlace C—S, y liberar un grupo tiol muy electrófilo, fundamentalmente nefrotóxico (ver Capítulo 6). Este tipo de reacción de toxicación se produce en los hidrocarburos alquenos halogenados, como por ejemplo el percloro o tetracloroetileno (Cl2C = CCl2) que antes se usaba para la limpieza en seco, aplicación desde hace años prohibida. Los alcanos halogenados, como el disolvente diclorometano (Cl2-CH2) o el ignífugo tris-(2,3dibromopropil)fosfato, se pueden unir directamente al glutatión, que sustituye a un átomo del halógeno y seguidamente se cicla formando un ion episulfonio, de carga positiva y gran reactividad con ADN y proteínas, con producción de cáncer en hígado, riñón y pulmón. + GS R Ion episulfonio Finalmente, anotemos que en estudios poblacionales, en los que se hace genotipado por PCR (amplificación de fragmentos de ADN mediante el uso de la enzima polimerasa), se está comprobando que individuos que presentan polimorfismos genéticos, por ejemplo, con genes CYPIA 1 muy activos o inducibles en la síntesis de cit-P, y que por tanto, dan lugar a gran producción de metabolitos oxidados de los xenobióticos pero, por el contrario, poseen genes «nulos» GSTM o NAT, que no «expresan» o sintetizan enzimas defensoras glutatióntransferasas o N-acetiltransferasas, son individuos con mayor susceptibilidad a los tóxicos. Igual ocurre en polimorfismos genéticos que sintetizan escasa cantidad de epoxihidrolasas (EH). Por último, y a modo de resumen, insistiremos en que los xenobióticos no siguen un único camino o vía de biotransformación, sino diversas, cuya intensidad y cantidad de productos resultantes depende de la actividad de las diferentes enzimas intervinientes. Como ejemplo, la Figura 4.20 Figura 4.19. Oxidación del p-acetamol y conjugación con glutatión. 04 toxicologia alim 24/11/08 12:28 Página 137 BIOTRANSFORMACIONES DE LOS TÓXICOS COOH CH3 NO2 137 O2N O2N NO2 CH2O-glucurónido O2N-C6 H4-NO2 O2N NHOCOCH3 Figura 4.20. Ejemplo de biotransformaciones diversas, en hígado e intestino, por el dinitrotolueno. representa las transformaciones (oxidaciones, reducciones, conjugaciones, hidrólisis y nuevas reducciones y conjugaciones) que experimenta el dinitrotolueno, tanto en el interior de la célula hepática como en la luz del intestino, por participación de la microflora intestinal, y la reabsorción 04 toxicologia alim 24/11/08 12:28 Página 138 138 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL enterohepática que sufren algunos de los metabolitos en lugar de ser excretados. BIOTRANSFORMACIONES POSTMORTE La muerte de un ser vivo no significa la paralización de todos los procesos biológicos y bioquímicos. A partir de la muerte, se inicia una serie de modificaciones físicas, químicas, bioquímicas, biológicas y anatómicas, diferentes en animales y vegetales, y que afectan también a los xenobióticos que estuviesen presentes en el cuerpo. Todos estos cambios y procesos, que incluyen autolisis, fermentación y putrefacción, dependen grandemente de las condiciones del sujeto y de las ambientales; la autolisis es el más precoz de los procesos destructivos del cadáver y consiste en la ruptura de células y tejidos por enzimas lisosómicas liberadas de las propia células, así como por la acción de productos que se forman en las nuevas condiciones celulares; la putrefacción es el proceso de destrucción de la materia orgánica corporal (véase el apartado Redistribución postmorte, en Capítulo 3). Concretándonos a los cadáveres animales podemos considerar: a. Cambios térmicos: la temperatura de un cadáver humano suele equilibrarse con la ambiental en unas 24 horas. b. Deshidratación rápida, dependiente de la humedad del ambiente. c. Defecto tisular de oxígeno, en primer lugar por interrumpirse la circulación sanguínea, y en segundo por consumirse el oxígeno disponible como consecuencia de los procesos aerobios que se inician, y que serán seguidos de otros anaerobios. En presencia de oxígeno hay fermentación oxidativa, como la transformación de etanol en ácido acético; en situación anaeróbica se produce la fermentación, proceso catabólico de oxidación incompleta en ausencia de oxígeno y sin participación de la cadena respiratoria, por lo que han de intervenir receptores de electrones distintos del O2, como son compuestos orgánicos que se reducen a alcoholes, acetaldehído, piruvato, etc. Cuando el sustrato reductor son proteínas el proceso se denomina fermentación putr efactiva o putrefacción, que puede ser catalizada por enzimas, bacterias, hongos e insectos; en una fase inicial aerobia, hasta que se consume el oxígeno tisular. Las bacterias presentes en el tracto gastrointestinal, al aumentar la permeabilidad de las paredes de este a causa de la histolisis, penetran en los vasos sanguíneos y linfáticos y se difunden por todo el cuerpo; inicialmente son Proteus vulgaris, Pseudomonas sp. Coli putrificus, Liquefaciens marnus, Vibrion colericus, etc., y posteriormente, en condiciones anaerobias, los clostridios welchii, putridus, gracilis, magnus, etc., productores de gases (sulfhídrico y mercaptanos o tialcoholes), y hongos como Mucor, Penicillium, Aspergillus, etc. Hay factores acelerantes del proceso, como son humedad, temperatura, infecciones previas del sujeto, etc., y factores retardadores, como el uso previo de antibióticos, sequedad ambiental (enterramiento en terreno desértico), etc. De esta forma se llega a: d. Consumo o descomposición de los componentes orgánicos. Es realizado primeramente por las enzimas propias del organismo, y después por las de bacterias y hongos contaminantes. Cabe distinguir : d.1. Biotransformación de los hidratos de carbono, que experimentan glicolisis conducente a los ácidos pirúvico, láctico, acético y carbónico, y agua y a varios alcoholes como etílico, metílico, n-propílico, iso-propílico, n-butanol, sec-butanol, etc., en lo que se denomina “neoformación de alcoholes”; precisamente, la presencia de estos alcoholes sirve en toxicología forense para distinguir si el etanol encontrado en sangre procede de ingestión o de neoformación putrefactiva; también se produce metano. Como consecuencia, los tejidos y fluidos adquieren pH ácido. d.2. Biotransformaciones de las grasas, que son descompuestas por lipasas y esterasas a glicerina y ácidos grasos; los ácidos grasos superiores se saponifican con los 04 toxicologia alim 24/11/08 12:28 Página 139 BIOTRANSFORMACIONES DE LOS TÓXICOS iones alcalinos y alcalinotérreos presentes, constituyendo la llamada adipocira o jabón cadavérico. d.3. Biotransformación de las proteínas mediante proteolisis por acción de las enzimas proteinasas, con liberación de los aminoácidos constituyentes; éstos son seguidamente descarboxilados para dar las llamadas aminas de la putrefacción o ptomaínas, como histamina, tiramina, triptamina, cadaverina, putrescina, etc. (véase Tabla 4.9) que, a su vez, son destruidas hasta amoniaco, carbónico y agua. Tanto las aminas como el amoniaco cambian el pH del medio de ácido a alcalino. Como consecuencia de la liberación de enzimas tisulares y de los cambios de pH comentados, algunos de los compuestos xenobióticos que estuviesen presentes en el cuerpo del sujeto experimentan también cambios en su estructura química, lo que puede alterar grandemente los resultados de los análisis toxicológicos, aunque otros permanecen inalterados; ya el químico toxicólogo alemán C.R. Fresenius (1818-1897) había notado que el alcaloide estricnina resistía la putrefacción hasta once años, mientras que la morfina desaparece rápidamente de los tejidos. Otros muchos investigadores se han ocupado de la estabilidad de tóxicos y medicamentos en cadáveres, pues de este conocimiento depende la correcta interpretación de los análisis toxicológicos, así Steves et al (1984), Luna et al. (1989), Kawai (1995), McKinney et al. (1995), Moriya y Hashimoto (1996, 1999), Drummer y Gerostamoulos (2002), Skopp (2004), Ferrari (2007) etc., llegan a la conclusión de que los cambios autolíticos, fermentativos y putrefactivos, incluso en tejidos conservados en frigorífico, limitan la utilidad de las muestras al haber tanto degradación como neoformación de productos. Por ejemplo, los últimos autores citados demuestran que la síntesis de etilcocaína (por condensación de cocaína y etanol) continúa una hora después de la muerte, y que la hidrólisis de cocaína y del plaguicida diclorvos persiste al menos durante 48 horas, aunque con intensidad decreciente. Los conocimientos actuales, que han sido revisados por Torres y Escobar (2006), pueden resu- 139 mirse, desde el punto de vista molecular, como sigue: 1. Son muy lábiles, con poca resistencia a la putrefacción los compuestos con: 1.1. Átomo de oxígeno unido a nitrógeno (como en la nitrobenzodiazepina, que es convertida en su 7-aminoderivado por las aminorreductasas). 1.2. Átomo de azufre unido a carbono (tiopental) o a fósforo (organofosforados). Por el contrario, el ion cianuro se convierte en tiocianato. 1.3. Anillos heterocíclicos, como: 1.3.1. Anillos con oxígeno o azufre, o ambos en el mismo, como en clorpromazina o tioridazina. 1.4. Presencia de grupos OH y NH 2 en un mismo anillo (aminofenol). En definitiva, cocaína, heroína, algunos antidepresivos, antipsicóticos y benzodiazepinas presentan menor estabilidad en muestras postmorte que las tomadas a vivos. 2. Son bastante estables compuestos con: 2.1. Átomos de oxígeno y nitrógeno unidos a carbonos (fenobarbital). 2.2. Grupos N-H ó N-C (amitriptamina, imipramina, clordiazepóxido, alprazolam). 2.3. Grupos S-O (sulfamidas, tolbutamida, clorpropamida, etc.). Como hemos visto, las biotransformaciones postmorte se desarrollan en la sangre y en todos los órganos, dependiendo de la facilidad de acceso de los microorganismos. Por esta razón, en Toxicología Forense se recomienda tomar como muestra analítica sangre de la vena femoral (en la pierna, cerca de la ingle) y se está utilizando cada vez más el humor vítreo dado que, además de estar protegido por la estructura ósea que rodea al globo ocular, su irrigación es escasa lo que le defiende de infecciones vía hemática y también, como carece de glucosa, no permite neoformación de alcohol por fermentación. HO - CH2- CH2- NH2 CH3 - CH2 - HN2 Etanolamina Etilamina Glicina descarboxilasa Isoleucina descarboxilasa Lisina descarboxilasa CH3 - NH2 CH3 CH2 - CH - (CH3) CH2 NH2 H2N (CH2)5 - NH2 Metilamina b-metilbutilamina Pentametilen-diamina (Cadaverina) Tiramina Triptamina Tetrametilen-diamina (Putrescina) HO - NH - CH - CH - NH 2 2 2 -CH2 - CH2 - NH2 H2N - (CH2)4 - NH2 - CH2 - CH2 - NH2 Tirosina descarboxilasa Tripófano descarbosilasa Ornitina descarboxilasa Tirosina descarboxilasa Valina descarboxilasa (CH3)2- CH - CH2- NH2 Isobutilamina Feniletilamina Leucina descarboxilasa (CH3)2 - CH - CH2 - CH2 NH2 Isoamilamina CH Histidina descarboxilasa Alanina descarboxilasa Serina descarboxilasa Glutamato descarboxilasa Aspartato descarboxilasa Arginina descarboxilasa HC N Histamina HOOC CH - (CH,) - CH2- NH2 Ac. b-aminoisobutírico HC-C - CH2 - CH2 - NH2 HOOC CH2 - CH2 - NH2 HOOC (CH2)3 NH2 Ac . g-aminobutírico C(NH) - C(CH2)4 - NH2 Enzima 4.ª semana E. coli, S. faecalis 2.ª semana 3.ª semana E. coli, P. vulgaris, B. subtilis P. vulgaris 3.ª semana E. coli, S. faecali 4.ª semana E. coli, B. subtilis,B. cadaveris P. vulgaris P. vulgaris P. vulgaris E. coli, P. vulgaris E. coli, P. vulgaris 2.ª semana 1.ª semana E. coli 1.ª semana E. coli, P. vulgaris 2.ª semana Clostridium propionicum E. coli, P. subtilis Aparición a 20°C Microorganismo 12:28 β-alanina H2N H2N Fórmula 24/11/08 Agmatina Ptomaína Tabla 4.9. Bases putrefactivas (Ptomaínas) 04 toxicologia alim Página 140 140 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL 04 toxicologia alim 24/11/08 12:28 Página 141 BIOTRANSFORMACIONES DE LOS TÓXICOS BIBLIOGRAFÍA De Bruin A. Biochemical toxicology of environmental agents. Amsterdam: Elsevier, 1976. Drummer OH. Gerostamoulos J. Postmortem drug analysis: analytical and toxicological aspects. The Drug Monit. 2002, 24, 2: 199-209. Drummer OH. Postmortem toxicology of drugs of abuse. For. Sci. Int. 2004, 142, 2-3: 101-13. Ferrari LA. Aspectos clínicos, histopatológicos, analíticos y forenses en las intoxicaciones masivas por dietilenglicol. Ciencia for ense latinoamericana. 2007 1,1, 4-15. Goldstein A, Aronow L, Kalaman S. Principles of drug action. Nueva York: Wiley, 1974. Hawkins DR. Biotransformations, N,. Vols. 1-5. Cambridge: Royal Society of Chemistry, 1988-1993. Hayes W. Essays in toxicolo gy. Vols. 1-7. Nueva York: Academic Press, 1974. Hayes AW. Principles and methods of toxicology. 3.ª ed. 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Pero los xenobióticos son también capaces de modificar (aumentando o disminuyendo) las canti- Figura 5.1. dades y las actividades óptimas de ciertas enzimas, y con ello dan lugar a situaciones patológicas, definibles como intoxicaciones. Las actividades enzimáticas son modificables, es decir, son susceptibles de ser aumentadas o disminuidas; el incremento puede deberse a una activación (estimulación o aumento de la velocidad de reacción) o a una inducción (incremento del número de moléculas de enzima), mientras que la disminución es causada por inhibición, destrucción, bloqueo o cambios desfavorables en el medio (Tabla 5. l). Estas manifestaciones alcanzan especial relieve en lo que se refiere al catabolismo de algunos fármacos y al incremento de la potencial capacidad carcinogenética de otros (Fig. 5.1 y 5,2). Cuando en un análisis de suero u orina se determina actividad enzimática elevada, la causa suele ser secreción o vertido por lesión celular; en el laboratorio podemos aumentar la actividad de enzimas modificando (optimizando) las condiciones del medio (temperatura, pH, iones, etc.). Los inhibidores impiden la biotransformación. 143 05 toxicologia alim 24/11/08 13:20 Página 144 144 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Figura 5.2. Tabla 5.1. Los inductores enzimáticos incrementan la capacidad de biotransformación. Modificaciones de la actividad enzimática A. Disminución actividad por: 1. Destrucción (pH, temperatura, reacción, etc.). 2. Inhibición, por: — Estereoisómeros. — Elementos tiolprivos. — Compuestos metalprivos. 3. Represión génica. B. Aumento actividad. 1. Activación de protoenzimas. — Hidrólisis (proteasas, fosfatasas, fosfolipasas). — Fosforilación (fosforilasas, quinasas). 2. Activación alostérica. — Cambio conformacional por: Iones metálicos. Grupos tioles. Radiaciones. — De proteínas reguladoras. (Ca-calmodulina). — Por mediadores. Ca++, AMP-c, GMP-c, Prot-G sobre: quinasas, fosfolipasas, etc. 3. Inducción enzimática (véase aparte). 4. Secreción. 5. Optimización del medio. Inactivación de proteínas Es bien sabido que las proteínas son compuestos muy lábiles, cuya estructura molecular, empezando por su disposición espacial, se altera con facilidad cuando se producen cambios de la temperatura o del pH del medio que se distancien algo de los ordinarios o fisiológicos, e incluso la molécula puede coagularse, destruirse o disolverse. Como consecuencia, se modifican o desapare- cen las propiedades y capacidades inherentes a estas moléculas, uno de los principales pilares de los seres vivos. Veamos algunos ejemplos de conocimiento reciente: La hormona tiroidea T4 y su derivado T3, son importantes reguladores de crecimiento, diferenciación y desarrollo de muchos órganos, como por ejemplo los testículos, ya que hay numerosos receptores tiroideos en las células de Sertoli. Para su transporte precisan de una proteína, la prealbúmina o transtiretina (TTR), que también contribuye al transporte del retinol, al unirse a la proteína unida al retinol. Los bifenilos policlorados (PCB) y sus metabolitos hidroxilados, con cierto parecido estructural con la hormona, poseen gran avidez por la trastiretina y se unen ella desplazando a la T4, que queda libre y es eliminada, provocando hipotiroidismo. Como consecuencia, los PCB también son disruptores endocrinos. Otro ejemplo es la inactivación de las proteínas de reparación del ADN. Cuando ocurren errores en la replicación del ADN, pueden ser subsanados gracias a la intervención de la ADN polimerasa antes de que se consolide una mutación; el error es reconocido y corregido por la compleja proteína tetramérica MMR Pero hay tóxicos, como el cadmio y otros metales, con gran afinidad por los centros nucleófilos de los aminoácidos, particularmente los de cisteína y otros que van unidos al Zn, el cual queda desplazado y bloqueada la acción de la MMR. Inhibición enzimática La velocidad de las reacciones enzimáticas puede disminuirse o inhibirse por la intervención de sustancias que bloquean los grupos activos enzimáticos (suelen ser sustancias con gran similitud 05 toxicologia alim 24/11/08 13:20 Página 145 FENÓMENOS DE INHIBICIÓN, ACTIVACIÓN E INDUCCIÓN ENZIMÁTICAS estructural con los sustratos fisiológicos de la enzima) o los cationes precisos para la actividad enzimática; también pueden ser modificadores alostéricos de la conformación o estructura tridimensional proteica. Los primeros producen inhibición competitiva (el inhibidor compite con los sustratos fisiológicos por los lugares activos) y responde a la ley de acción de masas, mientras que la inhibición alostérica es no-competitiva, ya que el inhibidor y el sustrato no se excluyen, sino que incluso el inhibidor se une al complejo enzima-sustrato. La mayoría de las enzimas y otras proteínas contienen grupos sulfhidrilo (SH-) en su centro activo o catalítico, el cual es fácilmente bloqueado por compuestos reactivos de tioles y los metales que forman sulfuros estables. Este bloqueo depende grandemente de la concentración del tóxico, ya que, si bien a altas concentraciones se inhiben la mayoría de las enzimas con SH-, a bajas exposiciones tan solo se afectan las más sensibles. La extensa familia de compuestos organofosforados, cuyas moléculas son reconocidos inhibidores de las enzimas esterasas presenta una gran diversidad estructural y, consecuentemente, muy diferente electrofilia en sus átomos de fósforo, ya que ésta y la reactividad son grandemente determinadas por los sustituyentes en la molécula; así, si el doble enlace P=O hace al P muy electrofílico, más lo es cuando hidrógenos de la molécula han sido sustituidos por átomos de halógeno. La inhibición puede ser reversible o irreversible desde el primer momento, o bien transitoriamente reversible, que se hace irreversible más tarde, cuando los enlaces entre el inhibidor y la enzima se refuerzan («envejecen»), como es el caso de los organofosforados con la acetilcolinesterasa, al redistribuirse la carga electrónica de los sustituyentes. Dado que las enzimas cumplen una misión fisiológica en el equilibrio bioquímico del ser vivo, la inhibición de cualquiera de ellas da lugar a trastornos más o menos importantes, según el mecanismo afectado y sus consecuencias. Además pueden producirse inhibiciones muy importantes en Toxicología, por exceso de sustrato o del producto de la reacción (éste constituye el sustrato de la reacción en sentido inverso); por ello, en las intoxicaciones, que son situaciones con altas concentraciones tisulares de xenobiótico, se bloquean o saturan mecanismos de biotransformación, y otros cinéticos, como los de eliminación. 145 Los principales mecanismos de inhibición enzimática se resumen en el Capítulo 6, apartado B.b.2; véase también el apartado c de éste. Diversos compuestos producen represión génica, lo que disminuye la síntesis de la enzima y, con el tiempo, provoca una disminución global de la misma pero sin afectar a la actividad de cada molécula como ocurre en la inhibición. Formas de activación enzimática a) Algunas enzimas se sintetizan en forma de precursor inactivo (protoenzima) que, mediante una hidrólisis, libera enlaces específicos dotados de actividad; según el caso, estas hidrólisis son catalizadas por enzimas proteolíticas, fosfatasas, etc. De especial interés toxicológico son las fosfolipasas (diferenciadas como A l , A 2 , B, C y D, según el enlace que hidrolizan), que a su vez han de ser activadas por proteasas. Las enzimas fosfolipasas (fosfatidasas o fosfoesterasas), que hidrolizan fosfolípidos, están presentes en los jugos digestivos y en las toxinas de algunas bacterias, serpientes y las abejas; participan en cascadas de reacciones enzimáticas que generan lípidos muy activos (lisolecitina, lisofosfolípidos), que producen la lisis de hematíes y otras células. Entre los fosfolípidos de membrana celular está el fosfatidil-inositol-bifosfato (PIP2); la unión de algunos transmisores (p. ej., serotonina) a su receptor produce activación de la fosfolipasa C, que hidroliza al PIP2 con liberación de inositol-trifosfato (IP3) y diglicerol. El IP3 es hidrolizado, a su vez, por una fosfatasa, que se inhibe por el litio; pero el IP3 provoca liberación de Ca++ de los reservorios intracelulares, activando la contracción muscular, la ruptura del glucógeno, la exocitosis, etc. En estas acciones participa, de forma sinérgica, el diglicerol citado, que activa a la proteína quinasa C, la cual fosforila restos de serina, treonina y tirosina de muchas proteínas, entre ellas las del citoesqueleto. Algunos carcinógenos, como los alcoholes policíclicos del aceite de crotón, también activan la proteína quinasa C. Otros fosfolípidos contienen en C-1 un radical éter en lugar del acilo; estos fosfolípidos gliceril éter poseen especiales actividades biológicas; por ejemplo, uno de ellos es el «factor activador de 05 toxicologia alim 24/11/08 13:20 Página 146 146 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL plaquetas», que induce la agregación plaquetaria, junto con dilatación vascular. Otros son los plasmalógenos, éteres insaturados (con un grupo de vinilo, son, por tanto, acetalfosfátidos) correspondientes a la fosfatidilcolina, que se forma por acción de una desaturasa, enzima microsómica; estos plasmalógenos, en determinadas condiciones, por ejemplo, por reacción con el metilmercurio, liberan aldehídos grasos de cadena larga (palmítico, esteárico), citotóxicos a su vez. b) Otras enzimas se activan por fosforilación, introducción de un grupo fosforilo (O=P–O2–) a determinados aminoácidos, normalmente serina, treonina o tirosina. Esta fosforilación supone una modificación covalente de la proteína enzimática, que puede ser anulada por posterior hidrólisis del éster fosfórico. c) Las enzimas suelen ser muy sensibles a la presencia próxima de iones metálicos o de otro tipo; en ocasiones, la participación de estos iones (Ca, Co, Cu, Fe, Mg, Mn, Se, Zn, Cl–, SH–, etc.) es imprescindible para la función enzimática; algunos de los elementos divalentes pueden sustituirse entre sí, pero generalmente la sustitución por otros (Pb, Ba, Sr, etc.) bloquea a la enzima. El aumento de concentración de aquellos iones incrementa considerablemente la actividad de amidasas, fosfatasas, peptidasas, etc., al igual que los compuestos portadores de grupos sulfhidrilos (cisteína) favorece la actuación de reductasas y proteasas. No hay una explicación general para estas acciones; no es necesario que el elemento participe en el centro activo enzimático, basta con que produzca modificaciones alostéricas (el término alostérico, del griego allos, otro o distinto, y stereos, lugar, supone una funcionalidad en un lugar distinto del sitio activo enzimático, y corresponde a un cambio en la estructura de la enzima como respuesta a la unión directa o indirecta de ciertos efectores) favorables a la molécula de la enzima; los grupos tioles son propiamente reductores y también se unen a metales u otros elementos (As), impidiendo la actuación inhibidora de éstos. No se sabe por qué las sales de Al, Ca, Mg, Hg, Sn, V, o disolventes como etanol, tolueno, n-hexano, tricloroetileno, cloruro de vinilo, o las radiaciones ionizantes, o los campos magnéticos pulsantes de baja frecuencia y el estrés activan a las colinesterasas. También hay que incluir entre las causas de aumento de velocidad en las reacciones enzimáti- cas el incremento de sustrato (hasta ciertos límites, pues sobrepasados éstos se produce inhibición) y de las coenzimas intervinientes en la reacción. d) Otro grupo de enzimas ve controlada su actividad por proteínas reguladoras que, a su vez, son activadas al unirse a átomos de calcio; esto ocurre a la calmodulina (Fig. 5.3), proteína capaz de unirse a cuatro Ca++, lo que le produce un cambio conformacional (por probable rotación de sus hélices) que le confiere gran afinidad hacia otras proteínas diana, cuya conformación modifica, activándolas. El complejo Ca++-calmodulina no posee actividad enzimática por sí mismo, sino que precisa unirse a otras proteínas y enzimas, a las que regula; se conocen numerosos procesos de este tipo, que se denominan «dependientes de Ca++-calmodulina», entre los que destacan aquellos en que intervienen las proteinquinasas Figura 5.3. Calmodulina activada con cuatro átomos de calcio. 05 toxicologia alim 24/11/08 13:20 Página 147 FENÓMENOS DE INHIBICIÓN, ACTIVACIÓN E INDUCCIÓN ENZIMÁTICAS (Ca-quinasas) que fosforilan restos de serina y treonina de proteínas específicas del citoesqueleto, el cual puede resultar dañado por excesiva activación de las quinasas. e) Además del calcio, son mediadores intracelulares el adenosina monofosfato cíclico (AMP-c) y el guanosina monofosfato cíclico (GMP-c), que se producen tras la activación de receptores situados en la superficie celular. Ambos, como el Ca++, son ejemplos de efectores alostéricos, que activan proteínas específicas, uniéndose a ellas y modificando su conformación; respectivamente son la A-quinasa y la G-quinasa que catalizan la transferencia del grupo fosfato terminal del ATP o del GTP a otras enzimas, a las que activan; y que, a su vez, pueden ser hidrolizadas por fosfodiesterasas, activables por otras proteínas (transducina, etc.) o inhibidas por las xantinas (cafeína, teína, etc.). Una de las enzimas activadas por la A-quinasa es la glucógeno-fosforilasa, encargada de liberar glucosa del glucógeno. Las acciones del AMP-c han de ser transitorias, por lo que las células deben desfosforilar las proteínas fosforiladas por la A-quinasa; esta desfosforilación es realizada, principalmente, por las protein-fosfatasas, que a su vez pueden ser inactivadas por una proteína específica inhibidora de la fosfatasa, la cual es activada por la A-quinasa, en un sistema de autorregulación. Hay, asimismo, la llamada proteína G (heterotrímero que se presenta con diferentes estructuras y funciones) que actúa como proteína reguladora, tanto de tipo estimulante como inhibidor, en forma intermediaria entre los receptores de la superficie celular y los canales iónicos o algunas enzimas citoplasmáticas; interviene en la formación del AMP-c y también en la liberación de Ca++ desde sus localizaciones intracelulares; y en la activación de la fosfolipasa C. Las actuaciones de las proteínas G son muy sensibles y modificables por toxinas microbianas (cólera, difteria, etc.). En resumen, existe una cascada de mediadores intracelulares que amplifica las señales recibidas del exterior y regula las respuestas celulares: cuando un ligando se une a un receptor, se activan distintas ciclasas, que a su vez activan enzimas específicas, multiplicando la señal, aunque las células disponen de sistemas de regulación de ésta y de procedimientos de retroalimentación. Cada tipo de célula posee equipos característicos de proteínas diana, si bien los dos más importantes mensajeros iniciales son el AMP-c y los niveles de Ca++. Tan larga serie de reacciones enlazadas y entrecruzadas presenta, lógicamente, numerosos puntos sensibles a la intervención de los tóxicos, que desestabilizan el equilibrio dinámico fisiológico y dan lugar a patologías. El estudio y conocimiento de las interacciones de los xenobióticos y los mediadores intracelulares es uno de los objetivos de la Toxicología actual. Inducción enzimática A diferencia de la activación, por inducción se entiende un aumento en el número de moléculas de enzima que son sintetizadas; primitivamente se ENZIMA Figura 5.4. 147 Actuación de un inductor, según Jacob y Monod. 05 toxicologia alim 24/11/08 13:20 Página 148 148 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL pensaba en una adaptación de la enzima al medio, pero se sabe que es distinto. Este incremento en la síntesis es ocasionado, fundamentalmente, por el propio sustrato sobre el que la enzima actúa; al aumentar los requerimientos de ésta se modifican los mecanismos reguladores de la síntesis proteica, que se incrementa de forma específica, aunque hay enzimas inducibles y otras que no lo son. Una inducción enzimática sugiere la presencia aumentada de determinados sustratos o mecanismos bioquímicos. Según la teoría de Jacob y Monod, el agente inductor o uno de sus metabolitos se une al llamado gen regulador o represor que controla al gen operador responsable de la síntesis de la enzima; al quedar libre éste se sintetiza más ARN-m y, consecuentemente, mayor número de moléculas de la enzima (Fig. 5.4). La inducción por el sustrato (autoinducción) es uno de los mecanismos del proceso de tolerancia a los fármacos. Los fumadores requieren mayores dosis de teofilina o de otros medicamentos, para que les sean efectivos, al igual que ocurre a los alcohólicos con los anticoagulantes orales o la difenilhidantoína. Hoy se conocen muchas interacciones medicamentosas o, al contrario, fallos terapéuticos mediados por mecanismos de inducción enzimática. Parece ser que no solamente el sustrato xenobiótico o sus metabolitos puede actuar como inductor, sino también otras sustancias y numerosas hormonas, como ACTH, somatotropina, tiroxina, aldosterona, glucocorticoides, andrógenos, estrógenos, progesterona, hormona paratiroide, insulina, eritropoyetina, etc. También los metales son inductores enzimáticos, como los siguientes ejemplos: — Inducción de la glutatión peroxidasa, gamma-glutamil cisteína sintetasa y glutatióndisulfuro-reductasa por el selenio. — Inducción de la síntesis de metalotioneína por cadmio, zinc y arsénico. — Inducción de hemooxigenasa por metales como: Co, Cu, Cr, Mn, Fe, Ni, Zn, Cd, Hg, Pb y Se, con la consiguiente influencia sobre la síntesis y degradación de metaloporfirinas que controlan, mediante una inicial represión de la ácido gammaaminolevulínico sintetasa (ALA-S) y posterior inducción de la hemooxigenasa. Muchos de los hallazgos en este campo se han efectuado en el curso de estudios de la nueva rama de la ciencia conocida como Farmacogenética, que se preocupa de conocer las diferencias individuales, genéticamente determinadas, de comportamiento frente a los fármacos. Estas diferencias se manifiestan tanto en cuanto a la actividad terapéutica, como en las respuestas adversas a los medicamentos. El origen de las discordancias puede encontrarse en diferente susceptibilidad de los receptores celulares o en distinta capacidad metabólica, revelada en aspectos cualitativos y cuantitativos, de procesos de transformación y eliminación de sustancias de capacidad farmacodinámica. Sabemos que la capacidad metabólica está influida por el sexo; pues bien, Wittaker y Evans (1970), efectuando estudios de farmacogenética, mediante determinaciones de la vida media de la fenilbutazona en diferentes sujetos, encontraron marcadas correlaciones entre maridos y mujeres. Esto sugirió la posibilidad de que las enzimas metabolizantes de la fenilbutazona hubiesen estado estimuladas por contaminantes ambientales, insecticidas, aditivos alimentarios, medicamentos y otros posibles inductores enzimáticos, propios de cada ámbito familiar. Para comprobar el aserto, sometieron a tratamiento a los restantes miembros familiares con fenobarbital, uno de los más potentes inductores conocidos, y se vio que la vida media de la fenilbutazona llegaba a ser prácticamente igual en todos los individuos. La incidencia de plaguicidas, hidrocarburos policíclicos, aminas policíclicas y numerosos efluvios industriales puede equipararse a la de un tratamiento con inductores enzimáticos que multiplica por un factor hasta de 10 la actividad de las enzimas metabolizantes. Desde hace tiempo se conocen ejemplos del fenómeno, entre otros, los fallos que la píldora anticonceptiva experimenta en mujeres consumidoras de barbitúricos o especialmente expuestas al DDT, sustancias que activan la eliminación de los estrógenos. Por el contrario, insecticidas del tipo de los arilimidazoles parecen ser los más potentes inhibidores conocidos de la hidroxilación del estradiol y etinilestradiol, por lo que afectan fuertemente a la eliminación de las hormonas estrogénicas (Bolt y Kassel, 1976), incrementando su permanencia en el organismo. 05 toxicologia alim 24/11/08 13:20 Página 149 FENÓMENOS DE INHIBICIÓN, ACTIVACIÓN E INDUCCIÓN ENZIMÁTICAS En este mismo orden, en un estudio realizado en Suecia (Birgitta Kolmodin, 1974) se comprobó que en 26 trabajadores expuestos al lindano y al DDT la vida media de la antipirina, la fenilbutazona y el oxacepam era mucho más corta que en individuos controles. Según Sanders y Kirkpatrick (1975), ratas en cuya dieta había bifenilos policlorados presentaron a las tres semanas aumento de peso del hígado y una reducción del tiempo de sueño debido al pentobarbital. También se ha visto que los PCB son potentes inductores de proliferación del tejido hepático en ratas y de la N-desmetilasa de colorantes azoicos, aunque reprimen fuertemente la dimetilnitrosamina-desmetilasa. Una interesante influencia en los procesos de hidroxilación del benzopireno y la anilina la ejercen las dietas grasas; así, la presencia de un 10 por 100 de grasas saturadas en la dieta reduce la hidroxilación del benzopireno y la cantidad de citocromo P-450, pero no afecta a la hidroxilación de la anilina. Ésta, sin embargo, es aumentada por el aceite de girasol. La exposición del ratón durante dos horas a dosis de ozono del orden de 0,2 ppm, que puede encontrarse en las vías urbanas de una ciudad actual, promueve la elevación de la transaminasa glutamicopirúvica en plasma, de fosfatasa ácida, glutatión-peroxidasa y succinato-oxidasa en el pulmón y de ácido ascórbico en el hígado; el mismo efecto parece producirse con dióxido de nitrógeno, Figura 5.5. Figura 5.6. 149 y se estima que esto no deriva de daño celular, sino más bien de la activación de un sistema de oxidación-reducción (Fig. 5.5 y 5.6). Pequeñas cantidades de múltiples sustancias inducen un incremento en la actividad de las enzimas microsómicas hepáticas, pero, aunque la mayoría de los estudios in vitro se efectúan con fracciones microsómicas de homogeneizados hepáticos, también se desarrollan en tejidos extrahepáticos como riñón, intestino, placenta, piel, glándula suprarrenal, etc.; la actividad enzimática parece ser cualitativamente similar en los distintos órganos, aunque sea diferente en el orden cuantitativo. La multiplicidad de inductores potenciales sugiere una diversidad de lugares de acción o la posibilidad de lugares comunes. Desde el punto de vista morfológico existe evidencia de que los tóxicos incrementan el retículo endoplásmico liso; los niveles de algunos componentes del retículo endoplásmico, como el citocromo P-450, pueden ser proporcionales a la actividad metabólica, y servir para su cuantificación. Recordemos que la información biológica almacenada (codificada) en el ADN de cada núcleo celular rige la síntesis de proteínas, y por tanto de las enzimas, en un complejo proceso denominado expresión génica, rigurosamente controlado. El primer paso de la expresión es la transcripción, que es regida por los factores de transcripción (TF), proteínas que se acoplan al ADN, ligándose a elementos cis-reguladores, cada uno de los cuales Bajas concentraciones de de ozono inducen varias enzimas. La actinomicina impide la acción inductora del hidrocarburo policíclico cuando se administran conjuntamente, pero no por separado. 05 toxicologia alim 24/11/08 13:20 Página 150 150 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL corresponde a un locus (posición o lugar del cromosoma en que reside un gen, siendo éste un segmento de ADN capaz de originar una cadena polipéptica). Por aquella unión se activa la síntesis, en otro gen, del ARN-mensajero, el cual dará lugar a la traducción, o síntesis proteica en los ribosomas. Concretando: la síntesis de proteínas se resume en dos pasos principales: envío de un mensaje desde el ADN del núcleo celular al ARN-m del citoplasma, lo que se conoce como transcripción, y lectura del código del ARN-m por el ARN-t del ribosoma, para ordenar secuencialmente los aminoácidos del nuevo polipéptido, lo que se denomina traducción o transducción; de las dos bandas del ADN sólo se transcribe una. El hecho demostrado de que algunos inhibidores de la síntesis proteica a distintos niveles, como la etionina, cicloheximida, puromicina, actinomicina, etc., interfieren el aumento de actividad enzimática tras la aplicación de inductores evidencia que el mecanismo de inducción se basa en un aumento de la síntesis enzimática. Congruente con ello es que los esteroides anabolizantes sean buenos inductores. Cuando los citados inhibidores se añaden a cultivos al mismo tiempo que un hidrocarburo policíclico, no se produce inducción, pero, si se aplica actinomicina D (que bloquea la ARN-m polimerasa e impide la transcripción; por ello tiene aplicación como antibiótico y antineoplásico) a células que habían sido expuestas previamente al inductor, si se observa incremento de actividad. Esto se ha explicado admitiendo que el inductor estimula primeramente la síntesis de un ARN-m específico que será quien rija la nueva síntesis enzimática (Fig. 5.6). Si se cultivan células durante 10 horas en presencia simultánea de benzantraceno y cicloheximida (que actúa sobre el ribosoma y bloquea la síntesis proteica en la traducción, por lo que también tiene utilidad como antibiótico) y entonces se Figura 5.7. transfieren a un nuevo medio inerte, se produce un inmediato aumento de la síntesis enzimática. Parece, pues, que, al menos en los casos de hidrocarburos policíclicos, la primera fase de la inducción enzimática depende de la transcripción y no de la traducción (Fig. 5.7). Por otra parte, cuando la actividad de la arilhidrocarburo-hidroxilasa (AHH) se incrementa en un orden de 20, el contenido en protohem aumenta como 2, y en su mayor parte está constituido por citocromo P- 450. También el DDT incrementa la síntesis de ARN-m, tanto in vivo como in vitro. Como ejemplos de los mecanismos de inducción de los miembros de la familia de los citocromos P (CYP) (véase Capítulo 4), podemos citar (Boelsterling, 2007): 1. La inducción de CYP1A1, CYP1A2 y CYP1B1 es regulada por la vía del receptor de hidrocarburos aromáticos (AHR) (véase Capítulo 6). 2. El CYP3A es regulado por el receptor de pregnano X (PXR). 3. Otras formas de CYP y de diferentes enzimas son reguladas por factores nucleares en el hepatocito. 4. CYP2B6, CYP3A y CYP2C son inducidos a través del receptor constitutivamente activo (CAR), posiblemente por el fenobarbital. En general, los mecanismos destoxicantes de mayor importancia son los que se realizan mediante oxidaciones e hidroxilaciones, merced a los sistemas de oxidasas e hidroxilasas. Como quiera que muchas de estas enzimas intervienen en la biosíntesis de esteroides y de aminoácidos, en la w-oxidación de los ácidos grasos, etc., es lógico esperar que se produzcan numerosas alteraciones metabólicas como consecuencia La actinomicina impide la transcripción, y la cicloheximida la traducción. 05 toxicologia alim 24/11/08 13:20 Página 151 FENÓMENOS DE INHIBICIÓN, ACTIVACIÓN E INDUCCIÓN ENZIMÁTICAS de la estimulación que se pueda realizar sobre tales sistemas enzimáticos. Ciertamente, muchas de estas enzimas son capaces de actuar sobre multitud de xenobióticos, aunque aún no se sabe si ello es debido a falta de especificidad o a su capacidad de rápida adaptación a sustancias extrañas. Desde hace años se conoce que por tratamiento de animales con algunas de estas sustancias se consigue un gran incremento en la capacidad oxidativa; cuando la inducción se realiza con barbitúrico, se aumenta la oxidación de productos alifáticos, mientras que el pretratamiento con hidrocarburos policíclicos induce la hidroxilación de núcleos aromáticos (Figs. 5.8 y 5.9) . Sabemos que los más importantes sistemas enzimáticos microsómicos son los encargados de oxidar, hidroxilar y desalquilar sustancias tales como los hidrocarburos policíclicos, insecticidas organoclorados, esteroides, etc. El sistema básico requiere fosfato de nicotinamida-adenina dinucleótido reducido (NADPH) y oxígeno, y es inhibido cuando el monóxido de carbono se fija a su componente citocromo P-450. Cuando un individuo está expuesto a fenobarbital, DDT, hexaclorofeno, hidrocarburos policíclicos, terpenos, etc., se produce un incremento en la síntesis de todos los componentes del sistema, incluyendo citocromo P-450, ARN, proteína, etc. Ya hemos visto que la proporción del citocromo P-450 puede revelar el grado de actividad del siste- Figura 5.8. El fenobarbital incrementa las oxidaciones de moléculas alifáticas. Figura 5.9. Los hidrocarburos policíclicos incrementan las oxidaciones de moléculas aromáticas. 151 ma, que también puede medirse mediante la desmetilación de la amidopirina (piramidón), oxidación de la anilina, etcétera. A veces una intensa actividad del sistema resulta conveniente porque da origen a productos menos tóxicos o más fácilmente eliminables, pero en muchas otras ocasiones los productos resultantes son más tóxicos que los primitivos. Es el caso del tetracloruro de carbono, que resulta 10 veces más tóxico para individuos con el sistema hiperactivo por pretratamiento con inductores que para los que no fueron estimulados, porque el tetracloruro de carbono produce un radical libre C1 3 C* muy reactivo (Fig. 5.10). Similar mecanismo parece ocurrir con el cloroformo. Figura 5.10. Los inductores incrementan la toxicidad del tetracloruro de carbono. Según Smuck1er, Arrhenius y Hultin (1967), existe un notable paralelismo entre los mecanismos hepatotóxicos del tetracloruro de carbono y los de las nitrosaminas. Estos tóxicos ambientales, procedentes de reducción de los nitroso-compuestos, parecen producir su efecto tóxico primario mediante una deficiencia del transporte de electrones dependientes del sistema NADPH2, a nivel del citocromo P-450. Ello da como resultado una reducción del metabolismo microsómico, de donde puede deducirse decremento de la síntesis proteica y degeneración grasa. Por otra parte, al ser las nitrosaminas compuestos muy electrófilos, se unen covalentemente con el ARN y el ADN, con lo que, además de ser carcinogénicos, resultan mutagénicos. La inducción de estos sistemas enzimáticos por tratamiento con diversos productos no sólo incrementa la actividad de las enzimas normalmente implicadas, sino que también puede estimular algunos pasos metabólicos determinados. Así, el 2-acetamidofluoreno (Fig. 5.11) es normalmente metabolizado a 5-OH-derivado, 7-OH-derivado y N-OH-derivado, que ha resultado ser hepatocarcinógeno; cuando la administración del producto se hace 05 toxicologia alim 24/11/08 13:20 Página 152 152 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Figura 5.11. La acetamida impide la formación del carcinógeno. en forma crónica, se incrementa la vía de N-hidroxilación, pero, si se efectúa un pretratamiento con acetamida, resulta inhibida esta vía metabólica en beneficio de las otras dos reacciones, con lo que se logra evidente disminución del riesgo de cancerización. De la misma manera, el 7,12-dimetilbenzantraceno (DMBA) (Fig. 5.12), importante residuo industrial, que además de tumores produce necrosis suprarrenal, al ser metabolizado experimenta hidroxilación en sus dos grupos metilos; el hidroxilado en la posición 12, al igual que los metabolitos con el anillo modificado, son probablemente productos destoxicados, mientras que el 7-hidroximetil derivado ha resultado ser el agente corticosuprarrenolítico. Si se realiza un pretratamiento con 3-metilcolantreno y otros hidrocarburos policíclicos, se produce una inducción de las hidroxilasas que actúan preferentemente sobre el anillo, en lugar de sobre los grupos metilos; de ello resulta una protección contra la necrosis suprarrenal citada. Otro fuerte inductor de la ari1- hidrocarburo hidroxilasa ha resultado ser el TCDD, 2,3,7,8tetracloro- dibenzo-p-dioxina, producto causante de los accidentes tóxicos producidos en la comarca de Seveso, en el norte de Italia. La dosis de TCDD precisa para inducir la hidroxilasa es alrededor de 30.000 veces más pequeña que la de metil-colantreno requerida para el mismo efecto. Además, el TCDD induce la síntesis hepática de aril-hidrolasa, O-desmetilasa y N-desmetilasa en dos cepas de ratones (B6 y D2,), mientras que el metilcolantreno solamente lo consigue en una de ellas (B6) (Fig. 5.13). Figura 5.12. Los hidrocarburos policíclicos favorecen la rotura del anillo del 7,12-dimetilbenzantraceno. Figura 5.13. Las dioxinas inducen fuertemente la síntesis de numerosas enzimas. 05 toxicologia alim 24/11/08 13:20 Página 153 FENÓMENOS DE INHIBICIÓN, ACTIVACIÓN E INDUCCIÓN ENZIMÁTICAS 153 Figura 5.14. La oxidación de hidrocarburos origina epóxidos cancerígenos, inactivables por las epoxidohidrolasas. Los procesos oxidativos se valen normalmente del citocromo P-450, hemoproteico así denominado porque forma un complejo con el monóxido de carbono con un máximo de absorción a 450 nm; justamente, por irradiación a esta misma longitud de onda, se consigue in vitro disociar dicho complejo. Se admite que el citocromo P-450 se une al oxígeno molecular y lo transforma en oxígeno activado, uno de cuyos átomos es transferido al sustrato, mientras el otro es reducido a H2O. El oxígeno es preferentemente transferido a sistemas de electrones p, con frecuente formación de epóxidos. Ahora bien, éstos no son mucho más polares y excretables que los compuestos primitivos y, en la práctica, suelen resultar metabolitos de toxicidad aumentada, por su capacidad para establecer uniones covalentes. Los epóxidos de los hidrocarburos policíclicos y bencenos halogenados son las auténticas formas cancerígenas de estas sustancias que, posteriormente, son transformadas en hidroles inactivos por la acción de una enzima epoxihidrasa (Fig. 5.14). Desde el aislamiento de un metabolito dihidrol del 2,5,2’,5’-tetrahidrobifenilo, se supone que también es un epóxido el metabolito activo de este BF hepatotóxico. Cuando se ha administrado 1,1,1-tricloropropenóxido, inhibidor de la epoxihidrasa, se acrecienta la unión de los metabolitos oxidados del metilcolantreno al ADN, y como consecuencia se incrementa la carcinogénesis. Entre los hidrocarburos aromáticos que más interés han reclamado en el campo de la contami- nación ambiental, se hallan los hidrocarburos policíclicos, y de ellos el 3,4-benzo-a-pireno (Fig. 5.15) se considera modelo de compuesto carcinogénico. Ciertamente, se sabe que para desarrollar esa propiedad, el hidrocarburo policíclico debe reunir una serie de requisitos, principalmente que una zona de la molécula posea una densidad de carga que la haga especialmente reactiva; en ello influye la disposición relativa de los anillos y el tipo y localización de los sustituyentes que pudiera haber. Ya en 1950 Boylan sugirió que la carcinogénesis podría estar relacionada con la facilidad para formar epóxidos (puente de oxígeno entre dos carbonos contiguos) en la molécula. En la fórmula del benzo-a-pireno se aprecia una zona cóncava que ha recibido el nombre de región L o bahia, y otra parte de la molécula con los anillos dispuestos en Figura 5.15. 3,4-benzo-a-pireno. 05 toxicologia alim 24/11/08 13:20 Página 154 154 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL línea recta (región K o nobahia); en cada una de ellas hay diferente densidad electrónica que influye en su reactividad. Cuando el benzo-a-pireno es oxidado por las oxidasas de función mixta (MFO), dependientes del citocromo P-450 (cit P450 1A1) y concretamente por la benzopireno-3-monooxigenasa, una AHH muy inducible (véase «oxidaciones microsómicas», Capítulo 4), se forman epóxidos; de éstos, los situados en la región bahía son los más electrófilos y reaccionan con grupos nucleófilos biológicos presentes en proteínas, ácidos nucleicos, etc., lo que origina necrosis, mutaciones, cáncer y malformaciones (teratogénesis). Recordemos que la destoxicación de los epóxidos con apertura del anillo, se realiza por hidratación y posterior conjugación. Los epóxidos pueden ser hidratados por las enzimas epoxihidrolasas (EH) a dihidroles, que aún son susceptibles de oxidación por intervención de las MFO que forman nuevo epóxido en otro lugar de la molécula. Los dioles en general, al ser más hidrosolubles, resultan menos tóxicos que los epóxidos, pero cuando aquéllos se epoxidan, y forman, por ejemplo, el 7,8-dihidrodiol-9,10-epóxidobenzopireno, vuelven a ser fuertemente cancerígenos y mutagénicos, especialmente el enantiómero (–)7,8,(–)7R,8R, que es 10 veces más tumorígeno que el (+)7S,8S. Se ve, pues, que el metabolismo hidroxilativo del benzopireno sigue dos caminos, uno que aumenta el poder cancerígeno y otro que lo disminuye; lo interesante sería poder inhibir aquellas hidroxilasas y estimular éstas. El bromobenceno es oxidado por las MFO y origina dos epóxidos, situados, respectivamente, entre los carbonos 2-3 y 3-4; el primero, aunque se une a hemoglobina y a restos de cisteína, se transforma fácilmente en o-bromofenol, poco tóxico, que se excreta por vía renal. Sin embargo, el 3,4-epóxido es más reactivo y puede seguir tres caminos: a) minoritariamente puede originar p-bromofenol, b) por su gran reactividad se une covalentemente a proteínas tisulares, preferentemente a restos de histidina y otros, produciendo necrosis, c) la epoxidohidrolasa lo transforma en 3,4-dihidrodiol; tanto éste como el epóxido pueden conjugarse con el glutatión, pero (véase Capítulo 6) el conjugado libera tioles reactivos nefrotóxicos. La formación de los dos epóxidos es susceptible de influirse por pretratamiento con inductores; el pretratamiento con fenobarbital aumenta la vía del 3,4-epóxido, y por tanto la toxicidad renal y hepática, posiblemente por inducir la síntesis de una isoenzima del P-450, mientras que el pretratamiento con 3-metilcolantreno induce la vía del 2,3-epóxido, con formación de o-bromofenol de menor toxicidad. Parece ser que la síntesis de las arilhidrocarburohidroxilasas está regida por un solo gen de carácter dominante, y de la misma forma que Evans (1965) propuso dividir a los humanos en dos grupos, acetiladores rápidos y acetiladores lentos, según su capacidad genética para efectuar la destoxicación de numerosos fármacos por acetilación, mediante la N-acetiltransferasa, así Kellerman et al. (1973) sugirieron clasificar a las personas en inductoras de AHH (aril-hidrocarburo-hidroxilasa) altos, medios y bajos, conforme a unas pruebas realizadas sobre los linfocitos. Según estos autores, los individuos que son inductores de AHH altos o medios corren un mayor riesgo de cáncer broncopulmonar que los inductores bajos. Los sistemas de monooxigenasa son extremadamente sensibles a diferencias de especie, edad e influencias alimentarias y ambientales. Algunos sistemas experimentan un cierto ciclo circadiano, pues su actividad varía hasta cinco veces de la mañana a la tarde. La inducción por pretratamiento es máxima en individuos jóvenes; las ratas recién destetadas responden mucho mejor que las adultas; los animales bien alimentados reaccionan peor que los hambrientos, siempre que la dieta proteica sea suficiente. Las diferentes especies responden muy distintamente a los inductores; ello es cierto no sólo desde el punto de vista cuantitativo, sino también desde el cualitativo. El ratón es una de las especies que peor responden; así, el DDT y el benzopireno producen en él un efecto mínimo. Por el contrario, las respuestas de la rata son mucho mejores, en un orden parecido a las humanas. Se ha visto que en determinadas cepas de ratones, la actividad basal de la aril-hidrocarburo (benzo-a-pireno)-hidroxilasa es detectable en el hígado fetal varios días antes del nacimiento. Si a una hembra gestante se le administra nueve días antes del parto una sola dosis intraperitoneal de 3-metilcolantreno, a las 24 horas ya puede comprobarse 05 toxicologia alim 24/11/08 13:20 Página 155 FENÓMENOS DE INHIBICIÓN, ACTIVACIÓN E INDUCCIÓN ENZIMÁTICAS una notable inducción de la enzima en el feto. Esta inducción no se consigue con otras cepas de ratones; pero si ambas cepas se someten a pretratamiento con fenobarbital se logra un incremento de la actividad hidroxilasa en todos los animales. Ello es otra evidencia de que los mecanismos inductivos son diferentes para el metilcolantreno y para el fenobarbital. Ahora bien, Pelkonen et al. (1975), al estudiar la cinética de la benzopirenohidroxilasa en el adulto humano, descubren la existencia de dos enzimas diferentes, mientras que el hígado fetal sólo contiene una sola enzima benzopirenohidroxilante. Se ha puesto de manifiesto la posibilidad de inducir ocho monooxigenasas en el hígado y riñón de conejo; de ellas, dos N-acetilarilaminooxigenasas son inducibles más del doble por el acetilaminofluoreno y la acetanilida, mientras que otras cuatro monooxigenasas no son inducibles en el hígado, aunque sí en el riñón. En los últimos años se ha dedicado mucha atención a la formación espontánea de N-nitroso-compuestos por reacción de nitritos con sustancias susceptibles de N-nitrosación, como aminas secundarias y terciarias, entre las que hay algunos medicamentos (aminopirina, antibióticos, etc.), alquilureas y aminoácidos. Muchos productos químicos usados en la agricultura, como los fungicidas, herbicidas e insecticidas carbámicos, fertilizantes ureicos, etc., pueden resultar nitrosados al reaccionar con sustancias con grupos nitrosos. Residuos de estos productos pueden estar presentes en los alimentos de los animales o el hombre, y sufrir N-nitrosación en el tracto intestinal, y se sabe que las nitrosaminas formadas se metabolizan para originar radicales libres alquilantes de considerable toxicidad. Entre los diversos mecanismos que pueden promover estos procesos químicos hay algunos en los que se ha comprobado la participación de enzimas bacterianas (Hawksworth y Hill, 1971). Varios autores han estudiado la nitrosación en estómago, intestino, vejiga urinaria, etcétera. Se han encontrado enzimas nitrorreductasas en el hígado y riñón de los mamíferos, donde, en presencia de NADPH y condiciones anaerobias, reducen los grupos nitro de los azocompuestos. Las nitrosaminas son convertidas, por hidroxilación enzimática, en α-hidroxi1nitrosaminas; éstas resultan ser agentes alquilantes que pueden ceder uno o más de sus sustituyentes, bien direc- 155 tamente o bien a través de un diazoalcano, una sal de diazonio o un ion carbonio. De la alquilación que estos productos pueden originar en el ARN o en el ADN dependerá la carcinogénesis o la mutagénesis. Algunas nitrosaminas requieren una transformación previa antes de que puedan ejercer sus efectos tóxicos o carcinogénicos; así, la dimeti1nitrosamina (DMN) ha de sufrir una desmetilación microsómica. Como consecuencia de esto, en animales deficientes en proteínas, cuyo arsenal enzimático está lógicamente reducido, la DMN es casi la mitad de tóxica para el hígado, pero, por el contrario, al disminuirse, por el mismo motivo, la eliminación del producto, los animales de experimentación presentan mayor incidencia de tumores renales. También existen numerosas evidencias de procesos de inhibición enzimática originados por contaminantes del medio. Ratas tratadas con benceno y tolueno muestran un incremento en el peso del hígado, pero experimentan disminución de la fracción proteica sobrenadante a 9.000 G, que es la fracción del homogenado hístico donde se concentra la mayor capacidad activa microsómica. Se observa también disminución de la actividad de la amidopirina N-desmetilasa y de la capacidad de peroxidar lípidos. Igual efecto produce el tetracloruro de carbono; sin embargo, la diferencia enzimática puede evitarse con pretratamiento con fenobarbital, aunque no con 3-metilcolantreno. La mayoría de los inhibidores dejan sentir su efecto casi inmediatamente pero se ha visto que algunos, como el ácido p-aminosalicílico o la clorotetraciclina, requieren casi una semana. El monóxido de carbono inhibe el citocromo P-450, y ocurre que atmósferas con sólo un 2 por 100 de CO bloquean in vivo la hidroxilación de la anilina y la desmetilación oxidativa de la amidopirina; ante esto, es lícito pensar en otras numerosas interferencias que la contaminación ambiental ha de producir en los procesos biológicos de oxidorreducción. Por otro lado, sustancias ambientales de carácter inductor pueden interferir la acción de otros inductores. Así, animales expuestos a insecticidas como el DDT y el clordano pueden no sufrir estimulación al ser tratados con reconocidos inductores; animales enjaulados sobre serrín de pino experimentaron ya inducciones debidas a los productos de la resina, 05 toxicologia alim 24/11/08 13:20 Página 156 156 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL y responden mal posteriormente; productos originados en el almacenaje del alimento, como derivados peroxidados del colesterol y otros esteroides, pueden actuar de inductores insospechados, y al igual que los restos de insecticidas pueden provocar trastornos en el metabolismo de los esteroides. Se ha visto que la capacidad inductora de muchas sustancias es superada por la de sus derivados metilados; así: anfetamina cumarina pirazol alcohol hidroxibutiltolueno < < < < formación de esta última en la membrana celular, mediante la administración de donadores de metilos, puede suponer un efecto citoprotector en intoxicaciones por etanol, paracetamol, galactosamina, etinilestradiol, etc., ya que se ha comprobado que la dieta deficiente en grupos metilo reduce el contenido en fosfolípidos de las membranas de los hepatocitos. Durante la preñez, el alto contenido de metabolitos reducidos de la progesterona parece reducir las actividades enzimáticas. Se conocen numerosos casos de inducción de las enzimas metabolizadoras de medicamentos, que son causa de fallos de la dosificación (Tablas 5.3, 5.4, 9.4, 9.6 y 9.10). (Véase Interferencias en la biotransformación, Cap. 9.). En resumen, la inducción enzimática tiene lugar en todos los tejidos, y podemos reconocer cuatro grandes grupos de inductores (Tabla 5.2), que se Tabla 5.2. TIPO I: TIPO II Tipos de inductores enzimáticos. Fenobarbital Hidrocarburos policíclicos Nitroderivados aromáticos TIPO III: Esteroides Hormonas diversas TIPO IV: Diversos PCB Etanol PUFA Humos Cannabinoides Este efecto es paralelo al aumento de la actividad de la metiltransferasa y la incorporación de grupos metilo a moléculas de interés biológico. La transmetilación juega un importante papel en la actividad celular y concretamente en la defensa de la acción de los tóxicos. Por metilación se transforma la noradrenalina en adrenalina, la serotonina en melatonina, la fosfatidiletanolamina en fostatidilcolina, etc. La estimulación de la metanfetamina 4-metilcumarina 4-metilpirazol metil éter-O-hidroxibutiltolueno denominan según la sustancia más representativa del grupo: barbitúricos, hidrocarburos policíclicos, estrógenos, y otros diversos: Tipo I. La inducción cuyo agente tipo es el fenobarbital, y que son moléculas globosas, después de un tiempo medio de actuación de una hora a pocos días, origina las siguientes respuestas anatómicas o funcionales: — Aumento del tamaño de las células. — Gran aumento del peso del hígado. — Incremento del tamaño y actividad del retículo endoplásmico liso (REL). — Aumento muy general de actividades de enzimas oxidasas, pero puede ser bloqueado por posterior exposición a inductores del tipo II (HPC). — Gran inducción de la subfamilia citocromo P-450II B1, y consecuentemente de las enzimas MFO que dependen de este citocromo. Ello es evidenciable por la oxidación de hidrocarburos alifáticos y derivados (tetracloruro de carbono, cloroformo, nitrosaminas, etc.). — La inducción se valora midiendo la actividad de las oxidasas microsómicas. Tipo II. Los agentes tipos son hidrocarburos policíclicos (HPC), como el 3,4-benzopireno, 3metilcolantreno, las dioxinas, y también compuestos nitroderivados aromáticos (azocolorantes); todos ellos son moléculas planares, aromáticas, productos liposolubles que originan: 05 toxicologia alim 24/11/08 13:20 Página 157 FENÓMENOS DE INHIBICIÓN, ACTIVACIÓN E INDUCCIÓN ENZIMÁTICAS — Poco aumento de tamaño de células ni de órganos (hígado). — Escasa alteración del retículo endoplásmico liso (REL). — Pequeña variación de las proteínas microsómicas. — Disminución de algunas enzimas, pero aumento de otras, oxidasas y epoxidasas de hidrocarburos aromáticos (arilhidrocarburo hidroxilasas, AHH) y de arilaminas, dependientes del citocromo P-450I Al y A2; disminuye el P-450II B1. — Esta inducción es más especializada que la del tipo fenobarbital. — El tiempo requerido para la inducción es menor que el preciso con el tipo fenobarbital. La inducción tipo II: 157 Tabla 5.3. Inducción enzimática en el metabolismo de fármacos Fármacos cuya biotransformación es estimulada Inductores Alcohol Fenobarbital Anticoagulantes orales Alcohol (crónico) Barbitúricos Carbamacepina Glutetimida Griseofulvina Rifampicina Antidepresivos tricíclicos Barbitúricos Carbamacepina Difenilhidantoína Fenobarbital Corticosteroides Difenilhidantoína Fenobarbital a) Bloquea la capacidad inductora del fenobarbital, pero éste favorece la acción de los HPC. b) Suele conducir a carcinogénesis. Rifampicina Difenilhidantoína Alcohol (crónico) Barbitúricos Difenilhidantoína Para medir el mecanismo inductivo de los HPC, primitivamente se valoraba la actividad de la, arilhidrocarburo hidroxilasa (AHH), pero como ésta origina diversos metabolitos, se prefiere actualmente determinar la desalquilación oxidativa efectuada por otras monooxigenasas como la 7-etoxiresorufina-O-desetilasa (7-EROD), 7-pentoxiresorufina-O-desalquilasa (7-PROD), 7-etoxicumarina-O-desetilasa (7-ECOD), etc., las dos primeras producen 7-hidroxiresorufina, y la tercera 7-hidroxicumarina, que se cuantifican por espectrofluorometría. Las tres monooxigenasas citadas pueden ser inhibidas con alfa-naftoflavona o con metirapona. Tipo III. Está constituido por compuestos con estructura esteroide, presente en numerosas hormonas, que ya hemos citado. La mayoría de las hormonas corticoides, somatotropina y sexuales son estimuladores de la síntesis proteica, en general, y de diversas enzimas, en particular. Como ejemplo, citemos a la pregnolona, que induce la síntesis del cit P-450III A1, y de la NADPH-oxidorreductasa. Es un grupo poco estudiado aún. IV. Grupo misceláneo. Podríamos incluir aquí distintos compuestos que actúan como inductores de tipo I o tipo II o de ambos. Ejemplo de este últi- Digitoxina Fenilbutazona Fenobarbital Rifampicina Estrógenos Antiepilépticos Rifampicina Teofilina Barbitúricos Tabaco (productos de la combustión) mo son los bifenilos policlorados (PCB), que inducen las dos subfamilias de citocromos y que son carcinógenos. Otros, como los constituyentes del humo del tabaco o de los gases de escape de los motores de explosión, y presentes en los alimentos asados y ahumados, así como los ácidos grasos poliinsaturados (PUFA), integrantes de los aceites de maíz, cacahuete, lino, etc. (C 18:2) son multiinductores, aunque fundamentalmente actúan como los del tipo II. El etanol, que preferentemente es metabolizado por la alcoholdeshidrogenasa (ADH) citosólica y, sólo ante gran consumo, por las MFO dependientes de cit P-45011 E, es un fuerte inductor de este citocromo. Como se detalla en el Capítulo 9, Tabla 9.10, el alcohol etílico presenta tres tipos de inte- 05 toxicologia alim 24/11/08 13:20 Página 158 158 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL racciones enzimáticas con otras sustancias; en el bebedor ocasional, el etanol experimenta una competencia metabólica con fármacos que son biotransformados por las mismas enzimas que él, como deshidrogenasas, oxidasas, MFO, interfiriéndose mutuamente la eliminación, y ocasionando un alargamiento de la vida media y el efecto de ambos; por otro lado, compuestos como el disulfirán (antabus), cianamida, cloramfenicol, cefalosporinas, antifúngicos (tipo ketoconazol), etc., inhiben a la aldedehído deshidrogenasa, interfiriendo la eliminación de este metabolito del alcohol; finalmente, el bebedor habitual o crónico, pero con un hígado normal, ha inducido diversas enzimas oxidasas que aceleran la biotransformación, con disminución de la vida media y efectividad de diversos fármacos. Ante fármacos multiinductores se observa una gradación de efectos que, de más a menos inducción, puede esquematizarse como sigue: P-450III A 1 > P-450I A2 > P-450II E = óxido reductasa. Algunos tóxicos poseen un efecto bifásico: primero son inhibidores y posteriormente actúan como inductores. Otros, como los cannabinoides, inhiben o reducen determinadas enzimas e inducen otras (inhiben G-6-Pasa, desmetilasas, peroxidasas, AHH, MFO, bloqueando incluso el efecto inductor del fenobarbital, ATPasa, MAO; a dosis bajas inducen la síntesis de adenilciclasa, que inhiben a dosis altas, por lo que afectan, en cascada a los niveles de AMP-c, proteinquinasas, metabolismos del glucógeno, etc.). También inducen la cannabinol hidroxilasa. El efecto máximo requiere cierto tiempo, variable en cada caso, después de administrado el inductor. Si se aumenta la dosis, podrá incrementarse el efecto hasta cierto límite. Cuando se administran simultáneamente dos inductores, el resultado puede ser mayor, posiblemente por inducción de diferentes mecanismos. Se ha propuesto, y aplicado en algunos casos, el uso de inductores de mecanismos enzimáticos en terapéutica clínica. Citemos algunos ejemplos: A un niño con hiperbilirrubina neonatal se le administró fenobarbital en dosis de 15 mg, dos veces al día, y 0, 1 mg de testosterona al día, desde el tercero al duodécimo mes de vida; se consiguió Tabla 5.4. Medicamentos inductores o inhibidores enzimáticos. Inductores Inhibidores Barbitúricos (expto. Butalbital) Cimetidina Carbamacepina Cloranfenicol Glucocorticoides Griseofulvina Eritromicina Fenilbutazona Isoniazida Hidantoínas Quinina Rifampicina Disulfiram Estrógenos Valpróico Verapamilo bajar hasta la normalidad los niveles de bilirrubina, que volvieron a subir al interrumpir el tratamiento. A un grupo de doce mujeres embarazadas se le administraron dosis diarias de barbitúricos, que oscilaron entre los 30 y 120 mg, durante las dos semanas anteriores al parto; en todos los casos los recién nacidos presentaron bilirrubinemia muy baja. El uso experimental de procesos de inducción o inhibición enzimáticas permite, en ocasiones, profundizar en el conocimiento del mecanismo y localización de fenómenos tóxicos (Roth et al., 1992). (Véase Cap. 7, Fig. 7.25.) BIBLIOGRAFIA Alberts B, Bray D, Lewis J et al. Molecular biology of the cell. 2ª ed. New York, Garland Publications Inc. 1989. Bolt HM, Kassel H. Effects of insecticide synergists on microsomal oxidation of estradiol and ethynylestradiol and on microsomal drug metabolism. Xenobiotica. 1976 Jan;6(1):33-38. Cornish-Bowden AJ, Fundamentals of enzyme kinetics . (3rd edition), UK, Portland Press. 2004. De Bruin A. Biochemical toxicology of environmental agents. Amsterdam: Elsevier, 1976. Desvergne B, Michalik L, Wali W. 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Tras las fases Toxicocinéticas de absorción, distribución y biotransformación, la molécula tóxica en forma activa está en disposición de unirse a estructuras biológicas; cuando la afectación de esta estructura es trascendente, se inicia el proceso tóxico, en caso contrario no se apreciará daño. Si contemplamos la unión de la molécula del tóxico con una biomolécula estamos elaborando Toxicología molecular. En el caso de que las biomoléculas sean los ácidos nucleicos, ADN o ARN y, consecuentemente, los genes, estaríamos en la Genotoxicología (véase Capítulo 7), que nos puede conducir a una Toxicología de poblaciones. Pero también podemos detenernos en los efectos del tóxico sobre orgánulos o constituyentes subce- lulares (toxicología celular) o en los efectos específicos sobre determinados órganos (toxicología órgano-específica), y finalmente en los efectos globales sobre el individuo. Por su parte, denominamos Toxicogenética al estudio de la participación de los genes en los efectos de los tóxicos, a consecuencia de variaciones genéticas, en los procesos toxicocinéticos, incluida la biotransformación, y en las características de los receptores y su respuesta (toxicodinámica). Por otra parte, cuando alguien se plantea el hecho de que una sustancia produzca efectos nocivos en los seres vivos, puede aproximarse al conocimiento intentando alcanzar diferentes niveles de profundidad, fundamentalmente los siguientes: a) En un nivel superficial atendemos sólo a los síntomas o daños que se aprecian, es decir, nos conformamos con decir, por ejemplo, que el tetracloruro de carbono produce una hepatopatía, o que el metilmercurio o el n-hexano inducen neuropatías periféricas; constatamos o diagnosticamos qué ocurre. b) Si pretendemos conocer algo más y nos interesamos por los mecanismos fisiopatológicos (véase capítulo siguiente), indagamos cómo un individuo que estaba normal (estado fisiológico) pasa a experimentar una enfermedad (patología). c) Pero podemos profundizar más, intentando encontrar los mecanismos básicos o moleculares de reacción entre el tóxico y las biomoléculas orgánicas, tratando de explicarnos el porqué en términos de toxicología bioquímica. 161 06 toxicologia alim 24/11/08 13:45 Página 162 162 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Intentaremos resumir en forma inteligible los más importantes de estos mecanismos según los conocimientos actuales, aunque, como dice Boelsterli (2007), es difícil realizar una clasificación de respuestas tóxicas desde un punto de vista mecanístico, pues un determinado mecanismo puede conducir a muy diversas respuestas; así la formación de aductos con las bases del ADN, daños oxidativos sobre el ADN o la disrupción hormonal pueden contribuir a la inducción de tumores, etc. Por otra parte, no debemos olvidar que los sistemas biológicos tienden siempre a mantener la homeostasis o equilibrio en sus componentes, estructuras y funciones, por ello en el proceso tóxico intervienen sucesos previos o pro-tóxicos, pero también otros procesos defensivos que, en ocasiones son, paradójicamente, favorecedores del daño. Los mecanismos de toxicidad generalmente incluyen más de un acontecimiento bioquímico o molecular; suelen consistir en secuencias de pasos o cascadas de reacciones, con complejos sistemas de retroalimentación que constituyen una entramada red de reacciones moleculares, de los que en nuestros días se trata de llegar a conocer a los genes implicados. Podríamos esquematizar que todos los procesos profundos de acción tóxica pueden resumirse en dos grupos principales, según consistan en afectación de la integridad de la estructura celular o bien en la alteración de la función celular. Sin embargo, no debe olvidarse que una afectación puede conducir a Función celular i e e e e y e e e e t i e e e e e e y e e e e e e t Acciones sobre Estructura celular r e w e q la otra y viceversa, porque una lesión celular llevará normalmente pareja un déficit funcional, en tanto que una alteración funcional podrá acabar afectando a la integridad estructural (Figura 6.l). Los efectos nocivos que se derivan de la unión de una sustancia química con las biomoléculas pueden ser de dos clases: a) Potencialmente reversibles, de carácter subletal, generalmente de tipo funcional. b) Irreversibles, normalmente letales para la célula, que se expresan como alteraciones estructurales. Los investigadores aún no han encontrado el indicador que marca el punto de no retorno, es decir, el momento preciso en que se produce la necrosis (muerte celular), y tampoco han sido capaces de explicar por qué una célula muere mientras otras próximas no se afectan. Aunque aún quedan muchos puntos oscuros en el intento de explicar los procesos tóxicos en términos de toxicología molecular, cada vez es mayor la información disponible, que frecuentemente nos obliga a reestructurar nuestros conocimientos previos. Se sabía que las características fisicoquímicas de cada sustancia condicionan su tropismo hacia diferentes órganos o tejidos, que servirán como dianas de su acción o como simples lugares de almacenamiento. Dentro de cada órgano diana la sustancia selecciona los grupos celulares según la constitución de éstos y de su disposición topográfiDestrucción o muerte celular Lesiones en la membrana celular (vascular, nerviosa, hepática, etc.) Daños en los orgánulos subcelulares Retículo endoplásmico Mitocondrias Ribosomas Lisosomas Citoesqueleto ADN Modificación de la permeabilidad de la membrana Modificación de las actividades enzimáticas Alteraciones de la reproducción celular Figura 6.1. Mecanismos básicos de toxicidad. 06 toxicologia alim 24/11/08 13:45 Página 163 MECANISMOS DE TOXICIDAD ca, normalmente en relación con su proximidad a los vasos sanguíneos. A su vez, los distintos constituyentes de las células serán, en razón de sus integrantes químicos, la diana u objetivo de los diferentes agentes químicos. Dado que la biotransformación de los xenobióticos puede producir metabolitos activos, los grupos celulares cuyo nivel de enzimas metabolizantes es capaz de dar lugar a mayor proporción de dichos metabolitos experimentarán, en cada caso, mayores efectos nocivos. Un primer mecanismo de acción tóxica se inicia en la alteración, tanto por inhibición como por activación o por inducción, de enzimas de interés fisiológico que participan en procesos ya sean de carácter energético como plástico. Así, una disminución de ATP deteriora las bombas de Na+ y de Ca++ e irá acompañado de un aumento de ion lactato y consecuentemente de acidosis intracelular. Una alteración de las enzimas que regulan la homeostasis intracelular del calcio desencadenan importantes mecanismos tóxicos, como se verá más adelante. Otro mecanismo, que preferentemente da lugar a efectos retardados, consiste en alteraciones de los sistemas de señales celulares. Por otra parte, en la biotransformación de xenobióticos se pueden originar dos tipos de metabolitos especialmente reactivos: los agentes alquilantes o arilantes y los radicales libres, capaces de establecer enlaces covalentes con biomoléculas celulares, y las especies de oxígeno activo, formadoras de peróxidos a partir de lípidos celulares, principalmente fosfolípidos de membrana. Ambos mecanismos están regulados por los niveles de glutatión (GSH) y otros proteintioles que, como agentes nucleófilos pueden neutralizar a los radicales libres, y como compuestos oxidables pueden reducir especies oxidantes, en tanto el organismo disponga de suficiente reserva de dichos tioles. Un último mecanismo a considerar es el que engloba a los procesos de carácter inmunitario. A) AFECTACIÓN DE LA ESTRUCTURA CELULAR Los mecanismos tóxicos que lesionan la arquitectura celular pueden consistir en alteraciones más o menos profundas de las estructuras proteicas 163 que conducen a destrucción total de la célula (causticación, necrosis), o solamente de la membrana celular, lo que originará la salida de su contenido. Una afectación más selectiva puede lesionar sólo estructuras u órganos subcelulares, como el retículo endoplásmico, las mitocondrias, los ribosomas, los lisosomas, que respectivamente darán lugar a trastornos en las futuras actividades metabólicas y energéticas (disminución de ATP, junto con incremento de lactato y consecuente incremento de la acidez intracelular, ya comentado), en la síntesis de proteínas o a sucesivas destrucciones tisulares al liberarse las enzimas productoras de lisis, que se hallan almacenadas en los lisosomas (proteasas, lipasas, etc.). La integridad celular no sólo se afecta por procesos destructivos más o menos extensos, sino también por la absorción de xenobióticos o retención de metabolitos o excretas que modifiquen la arquitectura, composición química o características fisicoquímicas de la célula o de sus constituyentes. Muerte celular Tradicionalmente, la muerte de la célula se ha denominado necrosis (del griego necro, muerte), pero en los últimos años se utilizan también otros dos términos: oncosis y apoptosis; el primero procede del griego onkos, hinchazón, y se ha propuesto en sustitución del de necrosis para situaciones patológicas en que la principal característica de la célula enferma es su inflamación o balonamiento, seguido de formación de vesículas y estallido (Magno y Joris, 1995). El segundo se aplica a la muerte destinada al recambio celular fisiológico, que elimina las células dañadas, precancerosas o en número excesivo (como un antónimo de mitosis); pero se ha visto que la apoptosis también puede inducirse por xenobióticos (Fawthrop et al., 1991). La forma de muerte celular que hoy conocemos como apoptosis fue ya intuida por el patólogo alemán Virchow (1821-1902), y se confirmó posteriormente por los hallazgos ultraestructurales con microscopía electrónica que indujeron a denominarla «necrosis por encogimiento o contracción»; esto hace que la célula afectada muera pero, a diferencia de la necrosis, como veremos luego, no se 06 toxicologia alim 24/11/08 13:45 Página 164 164 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL lesionan los tejidos vecinos y no hay respuesta inflamatora. El término apoptosis se utiliza en griego para designar la caída de los pétalos de las flores o las hojas de los árboles, con un sentido de renovación natural. Fue aplicado por Kerr et al. (1972) para aludir a un fenómeno biológico básico de cinética de la renovación celular; es decir, aunque supone una forma de muerte y eliminación de células, la arquitectura del tejido se conserva. Participa ampliamente en la organogénesis, en la resolución de procesos inflamatorios, en el control del crecimiento tumoral, en los procesos inmunitarios, en la defensa ante los virus, etc. Es también el mecanismo por el cual los animales no plantígrados pierden la membrana interdigital que poseen en la época embrionaria. Por definición, apoptosis es la muerte celular por un proceso activo, controlado genéticamente, que elimina células no necesarias o dañadas. Se origina por lesión o modificación del ADN nuclear, la cual lleva a cambios en la estructura que conducen a la fragmentación celular sin respuesta inflamatoria. Se considera actualmente (Alison y Sarraf, 1995) como un mecanismo de respuesta biológica cuando la célula percibe un conflicto entre las señales que recibe, procedentes del interior o del exterior. Por ello, no es correcto interpretar la apoptosis exclusivamente como «muerte celular Tabla 6.1. Formas de muerte celular Causa Denominación Mecanismo Genética Apoptosis Endonucleasa Dioxinas Corticoides →  (Natural) Agentes T-Butilestaño ADN Oncosis Peroxidación ATP Ca ++  →→ GSH → Tóxica → RUPTURA DE MEMBRANAS Y CITOESQUELETO Cl4C Quinonas Peróxidos Cistamina Faloidina Paraquat programada», ya que también es inducida por agentes externos. Así, parece que, cuando radiaciones, hipertermia o compuestos citotóxicos dañan gravemente a las células, se produce directamente la muerte de éstas (necrosis), pero cuando la afectación es más suave se induce la apoptosis; en los tejidos se puede presentar mezcla de células afectadas por una o por otra. Se ha visto que algunas sustancias, por ejemplo 2,3-dimetil-1,4-naftoquinona, a bajas concentraciones (10 µM) inducen proliferación celular, mientras que a concentraciones medias (30 µM) producen apoptosis, y a concentraciones altas (100 µM) originan necrosis. En un individuo, durante un mismo proceso tóxico pueden encontrarse células en necrosis y en apoptosis, e incluso en lo que ha sido llamada necrosis secundaria (Guille, 1997) o intermedia. La necrosis es un fenómeno pasivo; no está programada genéticamente. Se inicia por un aumento de la permeabilidad de la membrana celular, que se traduce en entrada de agua e iones acompañada de disminución de la capacidad para bombear iones, lo que lleva a hinchazón y posibilidad de rotura. Tiene lugar un considerable incremento de la concentración citosólica de calcio (véase más adelante), el cual activa las fosfolipasas que, a su vez, degradan a los fosfolípidos y se produce rotura de membranas y fragmentación de orgánulos, con hinchazón y estallido celular, cuyo contenido (enzimas lisosómicas) afecta a las células vecinas lo que induce una respuesta inflamatoria en el tejido (Tabla 6.1). En contraste con la necrosis, la apoptosis es un fenómeno activo que supone la activación de determinados genes («genes de muerte») cuya expresión da lugar a la síntesis de varias proteínas que pueden actuar bien como reguladores de la transcripción y frenando la proliferación celular o bien como activadores de enzimas proteolíticas (endonucleasas, caspasas, topoisomerasas, transglutaminasas, etc.), que alteran o fragmentan proteínas y ADN. Se han descubierto también genes que frenan la apoptosis actuando sobre aquéllos, y que, a su vez, pueden ser inhibidos, con lo que quedan libres de actuar los apoptósicos (Tabla 6.2). Diversas proteínas se unen al xenobiótico y defienden al ADN de la apoptosis y de la cancerogénesis; una de ellas es la proteína p53, fosfoproteína de vida media corta que se sintetiza en el núcleo de la mayoría de las 06 toxicologia alim 24/11/08 13:45 Página 165 MECANISMOS DE TOXICIDAD Tabla 6.2. 165 Diferencias entre apoptosis y necrosis/oncosis. Variable Apoptosis Necrosis/Oncosis Origen Programación genética Accidental Especificidad celular Si No Proceso Activo. Consume energía Pasivo Tamaño celular Disminuye. Condensación núcleo Aumenta. Balonamiento Membrana plasmática Se conserva, aparecen vesículas Se desintegra Orgánulos Se conservan Se desintegran Cromatina Se agrega a membrana Flocula ADN Fragmentación a nucleosomas* Roturas al azar Cuerpos apoptósicos** Se forman No; lisis total * Oligonucleosomas, por endonucleasas. ** Son trozos de cromatina rodeados de membrana. células tras inducción de señales de estrés, y que a su vez induce la expresión de numerosos genes, como el gen p53, localizado en el brazo corto del cromosoma 17, y que es uno de los genes más comúnmente mutados en el cáncer humano; tras una señal de diferentes clases de estrés, como una alerta tumoral, estrés mecánico o térmico, radiaciones, hipoxia o numerosos xenobióticos, es activado por el factor Arf y expresa la proteína p53; como consecuencia, se activa la apoptosis o bien se produce una parálisis (senescencia) del ciclo celular, con lo que se opone a la generación de tumores. Las enzimas que parecen jugar el papel principal en la apoptosis son las proteasas denominadas caspasas; otras proteasas diferentes que también participan en la apoptosis son las calpaínas (que fueron las primeras enzimas reconocidas como implicadas), catepsinas, granzimas, serina-proteasas, proteasosomas, etc. Las caspasas constituyen una familia de proteasas capaces de hidrolizar un residuo de aspartato, bajo la catálisis de la cisteína. Consecuentemente, las caspasas son aspartasas C-cisteína; es decir, cortan a las proteínas por el ácido aspártico, y tienen cisteína en el centro activo de la enzima. La caspasa-1 es una enzima convertidora de interleuquina-1β. El nombre de caspasa proviene de las iniciales de la expresión cysteinedependent aspartate specific protease; es homóloga de la proteína de muerte CED-3 del gusano C. Elegans (ver más adelante). Se sintetizan en forma inactiva, como procaspasas que han de ser activadas por las caspasas inductoras, para iniciar lo que se conoce como cas- cada proteolítica, en la que participan también otras proteínas como la p-53, las Apf (factor activador de proteasa apoptósica, que son homólogas a las CED-4 del gusano), las FAS, las Bax, etc., que son proapoptósicas, y las Bcl (expresadas por protooncogenes del cromosoma 18), que son antiapoptósicas; las proteínas Bcl-2 incluyen inhibidores de la apoptosis (Bcl-2, Bcl-XL, Mcl-1 y A1) y también promotores de la apoptosis (Bax, Bad y Bcl-XS); son dímeros (homodímeros o heterodímeros). Se conocen actualmente casi 15 caspasas que se dividen, según su intervención en la cascada proteolítica, en tres grupos: inductoras, ejecutoras e inductoras-ejecutoras. También pueden ser iniciadas por el citocromo c liberado al citosol desde las mitocondrias. El primer cambio bioquímico en la apoptosis es la modificación del potencial de membrana mitocondrial, con liberación de citocromo c. La presencia de éste en el citosol activa a distintas enzimas proteasas como las caspasas y las endonucleasas; el citocromo c se compleja con el Apf-1, y el complejo formado se une a la procaspasa-9, que se activa, transformándose en la caspasa-9, la cual realiza una activación proteolítica de la procaspasa-3 (Fig. 6.2). Una vez activadas, las caspasas ejecutoras fragmentan el citoesqueleto y el núcleo; en esto último colabora una endonucleasa (ADNasa) activada. Otra enzima que participa en estos procesos es la topoisomerasa, capaz de cortar una o dos hebras del ADN, lo que permite un giro o relajación transitoria de la doble hélice que favorece el acceso a la información genética; ello da lugar a una sobre- 06 toxicologia alim 24/11/08 13:45 Página 166 166 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL MPT Cit c caspasa 9 Cit c Apaf-1 Matriz mitocondrial Bcl-2 ACTIVACIÓN DE CASPASAS Cambios en citoesqueleto Condensación del citoplasma Cambios en núcleo Fragmentación nuclear Apaf-1= Factor activador de proteasa apoptósica Bcl-2 = Proteína de atraque. Antiapoptósica Figura 6.2. Desarrollo de la apoptosis. expresión de las caspasas y otras proteínas con inducción de la apoptosis. La detección de la producción de apoptosis en un órgano por estudio histológico es difícil, porque no se produce inflamación y los cuerpos apoptósicos son rápidamente fagocitados, de forma que el proceso de la apoptosis se desarrolla entre 2 y 6 horas. Algunos laboratorios siguen para estudiarla dos sistemas: uno que detecta la iniciación y otro la ejecución; los métodos actuales son los siguientes: a) citometría de flujo para el recuento de células apoptósicas b) cuantificación inmunoquímica de fragmentos nucleosómicos y de caspasas mediante anticuerpos fluorescentes c) técnica de cuantificación histoquímica conocida como T.U.N.E.L., consistente en la hibridación in situ de secuencias nucleotídicas específicas de rotura del ADN; se marcan los extremos rotos de las fibras de ADN. d) Revelado, mediante un colorante, del desplazamiento de fosfatidilserina. Como se expuso en el Capítulo 3, este fosfolípido está en la capa interna de la bicapa lipídica de la membrana de las células vivas; cuando éstas mueren, moléculas de fosfatilserina pasan de la capa interna a la externa y son sustituidas por moléculas de un colorante (APOPercentageTM, 2004). e) Por otra parte, mediante electroforesis en geles de agarosa se obtiene la escalera de ADN, lo cual no es totalmente específico, al contrario que la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), que consigue la amplificación de segmentos polimórficos del ADN, cada uno de los cuales es útil como marcador genético. Cuando se inicia la apoptosis se observa al microscópio óptico y al electrónico una condensación de la cromatina, adoptando el núcleo forma de media luna creciente, lo que presagia la aparición de vesículas y fragmentación; el citoplasma se retrae, el agua pasa al retículo endoplásmico, cuyas cisternas se dilatan y se abren poros en la membrana que sirven de canales para la salida del agua. Los orgánulos se aproximan, pero las mitocondrias no presentan las alteraciones propias de la necrosis. Finalmente, la célula lesionada es fagocitada por macrófagos o por las células vecinas. Puede decirse que en situación de normalidad existe un equilibrio entre distintos factores que favorecen la apoptosis y los que se oponen a ella, equilibrio que puede ser alterado por intervención de un tóxico: 06 toxicologia alim 24/11/08 13:45 Página 167 MECANISMOS DE TOXICIDAD Factores antiapoptósicos equilibrio Tóxico En las células perecederas o renovables prevalecen los genes proapoptósicos, mientras que en las células cancerosas son los antiapoptósicos. Cuando los genes de uno u otro signo experimentan mutaciones o cambios cuantitativos en su expresión, tienen lugar distintas patologías como cánceres, enfermedades autoinmunitarias, enfermedades degenerativas, etc. En el nematodo C. elegans se identificaron dos genes proapoptósicos o de muerte, denominados c. elegans death simbolizados por ced, los ced-3 y ced-4, que están contrarrestados por el ced-9, antiapoptósico. Paralelamente, en los mamíferos, en el linfoma de células B (B-cell lymphoma, Bcl) se encontró el gen Bcl-2, equivalente al ced-9, que al impedir la apoptosis favorece el desarrollo tumoral. Frente al gen Bcl-2, los mamíferos tienen el p-53 que expresa la proteína p-53, de 53 kilodaltons de peso molecular que, al igual que otras similares, es proapoptósica y además se enlaza al xenobiótico y defiende al ADN de la carcinogénesis. Se ha visto que cada región del sistema nervioso sigue un patrón temporal característico de muerte celular programada, que puede ser alterado por tóxicos, como el metilmercurio (CH 3 Hg), que incrementa la fragmentación del ADN. Los melanocitos (véase Capítulo 7) tienen niveles altos de Bcl-2 para defender la piel de las agresiones físicas y químicas, pero eso favorece el cáncer llamado melanoma. Como ejemplos de inducción de apoptosis por xenobióticos podemos citar: — El trióxido de arsénico induce la expresión y la activación de las caspasas 1 y 3 en distintos tipos de células cancerosas, probablemente a través de un efecto tóxico sobre la mitocondria. — El acetaminofeno provoca apoptosis por una acción directa sobre el ADN a través de la pérdida de regulación del calcio intracelular. Otras sustancias, como dicloroetileno, dimetilnitrosamina o tioacetamida participan en un mecanismo similar, provocando 167 Factores proapoptósicos Apoptosis muerte celular por oncosis o por apoptosis dependiendo de la concentración. — El plomo actúa de forma análoga a como lo hace una sobrecarga de Ca2+, ya que el Pb2+ se une a la proteina MTP que forma los poros de la membrana mitocondrial interna, con lo que sale al citosol el citocromo c y se inicia la cascada de activación de caspasas. Algunas sustancias, como las microcistinas secretadas por microalgas verdeazuladas como las cianofíceas, son capaces de conducir tanto a apoptosis como a tumores. Estas toxinas penetran en el hepatocito gracias a un transportador de sales biliares, donde inhiben tanto a las fosfatasas tipo 1 (PP-1) como a las tipo 2A (PP-2A); esta inhibición da lugar a un aumento de proteínas fosforiladas (que no son hidrolizadas), lo que activa la cascada de las caspasas y consiguiente apoptosis (Hooser et al., 2000), pero al propio tiempo pueden quedar fosforiladas proteínas supresoras de tumores (véase capítulo siguiente), lo que no impide la proliferación celular y el desarrollo de tumores (Carmichael, 1992). Aunque por su trascendencia fisiopatológica son importantes las afectaciones de las células nobles o parenquimatosas de los principales órganos (hepatocito, neumocito, neurona, nefrona), también presenta especial interés la alteración de las células que forman las paredes de los vasos sanguíneos, concretamente, del endotelio, por el extenso territorio anatómico que abarca. B) ALTERACIONES DE LA FUNCIÓN CELULAR Pueden resumirse en tres: b. 1. Modificaciones de la permeabilidad de la membrana, que no sólo afectarán la entrada y salida de nutrientes, fármacos y excretas, sino también las de los iones Na, K y Ca, responsables de los fenómenos de polarización y despolarización de la 06 toxicologia alim 24/11/08 13:45 Página 168 168 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL membrana y, en definitiva, de la transmisión eléctrica del impulso nervioso. b.2. Modificación de la actividad enzimática, por afectación de una enzima o sistema enzimático (coenzima, etc.) con alteración de los procesos respiratorios, energéticos, nerviosos, catabólicos etc., en que aquélla interviniere. Aparte de las sustancias desproteinizantes, que también lesionan la estructura proteica de las enzimas, los principales tóxicos enzimaticos son: 1) Moléculas orgánicas que por su estereoisomería bloquean los lugares activos de la enzima; un ejemplo típico es el de la inhibición de la acetilcolinesterasa por los compuestos organofosforados (véase Fig. 10.3). 2) Elementos metálicos que bloquean los grupos tioles (-SH) enzimáticos; se denominan elementos tiolprivos: As, Hg, Pb, Cu, Ag, Mn, que inactivan enzimas tan importantes en la respiración celular como las deshidrogenasas. 3) Sustancias que se copulan con los elementos metálicos indispensables para la función enzimática, como Mg, Mn, Fe, Cu, Se; son el SH2, CHN, CO, etc., que se han denominado sustancias metalprivas que inactivan a los citocromos respiratorios y a la superóxido dismutasa y la glutatión reductasa, protectoras de la peroxidación lipídica. Un caso particular de inhibición enzimática lo presentan las toxinas de la seta Amanita phalloides, conocidas como faloidinas, amatoxinas o amanitinas; son octapéptidos bicíclicos que se unen a la enzima ARN-polimerasa II, lo que bloquea la síntesis del ARN-mensajero; de esta forma, se impide la transcripción, y con ello la síntesis proteica, por lo que la célula muere. Dado que para este proceso es preciso que la toxina penetre en la célula, esto sólo ocurre en las células en que es posible esa entrada, especialmente en las del epitelio intestinal, hígado y riñón, que disponen de un sistema multiespecífico de transporte a través de membrana. También los radicales libres y otros compuestos reactivos, como los alquilantes, pueden reaccionar con las enzimas e inhibirlas de forma irreversible. Frente a estos fenómenos de inhibición hay que considerar los de activación y los de inducción enzimática, que suponen un incremento en la actividad de algunas enzimas como consecuencia de la absorción de determinados xenobióticos; aunque este aumento de actividad suele ser beneficioso, al permitir más rápido metabolismo del inductor, muchas veces el producto de la biotransformación posee mayor toxicidad que la sustancia absorbida o bien la enzima activada desencadena un proceso patológico (véase Cap. 5). b.3. Modificaciones de la reproducción (sea de la célula o del individuo) como consecuencia de la acción del tóxico sobre: b. 3. 1. El material no genético, provocando alteraciones epigenéticas o citotóxicas que afectan la propia división celular (mitosis), como ocurre con la colchicina, que impide la formación del huso acromático, con lo que se interrumpe la distribución de cromátidas. b.3.2. el material genético (ácidos nucleicos) y consecuentemente a la síntesis de proteína, y puede dar lugar a: b.3.2. 1. Alteraciones transmisibles a la descendencia si se afecta el ADN en las células germinales (mutagénesis, teratogénesis). b.3.2.2. Alteraciones no transmisibles a la descendencia si se afecta el ADN de las células somáticas (teratogénesis, cancerogénesis), o el ARN o la transcripción en la síntesis de proteínas (cancerogénesis, teratogénesis u otras). Tanto la teratogénesis como la cancerogénesis pueden tener otros mecanismos de origen. Las acciones de los tóxicos sobre el material genético celular son el objeto de la Genotoxicología (Capítulo 7). Sin embargo, debemos realizar aquí algunas consideraciones. La secuencia completa del genoma de los animales y del hombre proporciona el catálogo de las funciones mediadas por proteínas en los sistemas vivos. Las nuevas técnicas analíticas y los bancos de datos computarizados han impulsado la llamada proteómica, dedicada al estudio del proteoma (la parte proteica del genoma), de la misma forma que la genómica funcional se preocupa de asignar funciones a los genes. Estas nuevas ramas de la Biología molecular están ayudando a comprender mecanismos moleculares de toxicidad, por ejemplo en la identificación de dianas proteicas para los agentes químicos, o las funciones de complejos multiproteínas y para el desarrollo de biomarcadores, etc. 06 toxicologia alim 24/11/08 13:45 Página 169 MECANISMOS DE TOXICIDAD Se ha visto que las proteínas de superficie de las células juegan un papel muy importante en el reconocimiento y en la adhesión celular. Estas moléculas (como las cadherinas, integrinas, ocludinas, etc.) establecen las uniones célula-célula y célulasustrato, y también intervienen en la transmisión de señales intracelulares y como reguladoras de funciones. Con estas propiedades son capaces de participar en una serie de procesos fisiológicos como desarrollo de tejidos, barrera epitelial, aprendizaje y memoria y respuesta inmunitaria. Pero algunos metales y otras sustancias pueden afectar estos procesos cuando se unen a las citadas proteínas, que actúan como dianas de la toxicidad de esos agentes químicos. Así, el cadmio y otros metales divalentes se unen a la E-cadherina en las células epiteliales, lo que aumenta la permeabilidad del epitelio y alteración de las vías de señales intracelulares. Aunque los metales son significativamente tóxicos, son también cofactores esenciales para muchas actividades biológicas; esta dualidad ha provocado el desarrollo de mecanismos de transporte y de regulación homeostática. Así, las células disponen de un complejo abanico de transportadores, chaperonas, factores de transcripción y captadores destoxicantes (metalotioneínas, metalochaperonas, etc.) para sobrevivir a las ingerencias tóxicas. Actualmente se sabe que: a. Los iones metálicos realizan una estimulación directa o indirecta sobre la transcripción genética. b. Los sistemas de transporte permiten a las células adquirir metales esenciales y evitar los efectos tóxicos de los iones tanto esenciales como no-esenciales. c. Las chaperonas metálicas intracelulares dirigen la distribución de los iones a enzimas, transportadores y factores de transcripción, al mismo tiempo que protegen a las moléculas sensibles y a las funciones celulares de la toxicidad inducida por los metales. d. Los metales de la dieta, principalmente el cinc, participan en la modulación de la expresión de genes implicados en la homeostasis de los metales en general, y en la respuesta al estrés causado por éstos. 169 CLASES DE MECANISMOS Si deseamos conocer más profundamente cómo ocurren estos procesos, tendremos que buscar los mecanismos moleculares en que se fundamentan. Básicamente, todos ellos se inician con la unión de un número suficiente (número crítico) de moléculas del tóxico con otras tantas estructuras del ser vivo, que se conocen como órganos o moléculas diana, a partir de cuya unión se suceden procesos de transducción de señales que acaban afectando a la vida celular. De acuerdo con Rang et al., 2004, estas dianas suelen ser proteínas clasificables como: — receptores (véase apartado de Toxicidad selectiva), — canales iónicos, — enzimas, — moléculas transportadoras. Consecuentemente, los mecanismos de toxicidad pueden resumirse en los siguientes (Tabla 6.3): a) Mecanismos mediados por receptores: son de acción específica. b) Mecanismos no mediados por receptores: poseen acciones específicas e inespecíficas. c) Procesos desencadenados por reacciones inmunitarias, a través de mecanismos mediados y no mediados por receptores y con acciones específicas e inespecíficas. Veámoslos con algún detalle: a) Mecanismos de acción mediados por receptores, que son siempre de carácter específico, y sobre los que actualmente existe un gran caudal de investigaciones e información (véase Toxicidad selectiva). b) Mecanismos no mediados por receptores, que a su vez pueden ser: b. 1. Acciones específicas basadas en: b. 1.1. Interacción con moléculas pequeñas e iones, con formación de quelatos. b. 1.2. Reemplazo o sustitución de constituyentes celulares por xenobióticos (K por Li, Cl por Br, Ca por Pb, fosfolípidos extraños). b. 1.3. Suplantación de metabolitos por antimetabolitos, que interrumpen procesos metabólicos o 06 toxicologia alim 24/11/08 13:45 Página 170 170 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL los desvían hacia productos o funciones «erróneas»; son, por ejemplo, los análogos de bases púricas o pirimidínicas o de aminoácidos. b.2. Acciones inespecíficas, como las siguientes: b.2.1. Alteraciones de la permeabilidad de la membrana consistentes en interacciones de tipo fisicoquímico, por disolución en sus componentes, desorganizaclón de sus micelas, modificación de su fluidez, etc. Tabla 6.3. Pueden ser más o menos reversibles: corresponden a la acción de los anestésicos generales volátiles que, según Ferguson, interfieren el equilibrio termodinámico de la biofase de forma transitoria, mientras su concentración en el organismo sea suficiente. A veces la reversibilidad es más lenta, por mayor desorganización micelar, como ocurre con Clasificación de los principales mecanismos de toxicidad. A. MECANISMOS DE TOXICIDAD MEDIADOS POR RECEPTORES O DIANAS ESPECÍFICAS: 1. Modificaciones enzimáticas: (Ver Capítulo 5) A.- Disminución de la actividad enzimática: A.1.- Represión génica, genes deficitarios y silentes A.2.- Destrucción por pH, temperatura, etc. A.3.- Inhibición: - 1. Unión al sitio activo, en forma competitiva: esteroisómeros; ej. colinesterasas por organofosforados, PCBs- O-desmetilasa - 2. Unión al sitio alósterico, no competitiva: Elementos tiolprivos: As, Hg, Pb, Cu, Ag, Mn - 3. Eliminación de cofactores: Compuestos metalprivos; SH2, CNH, CO. B. Aumento de la actividad enzimática B.1. Activación de protoenzimas; ej., proteasas por Ca-calmodulina - Hidrólisis: proteasas, fosfatasas, fosfolipasas - Fosforilación: fosforilasas y quinasas B.2. Activación alostérica: 1. Cambio conformacional: • Iones metálicos sobre: fosfatasas, amilasas • Compuestos con grupos tioles: reductasa y proteasas • Radiaciones: colinesterasas 2. Activación de proteínas reguladoras (ej. Prot-G, calmodulina) 3. Activación por mediadores: Ca, AMPc, GMPc, sobre: quinasas, fosfolipasas, etc. B.3. Secreción, ej.: transaminasas de hepatocitos a sangre B.4. Optimización del medio: cambios en pH, temperatura, sales B.5. Inducción enzimática: - Tipo I, Fenobarbital: gran inducción enzimática generalizada, y particularmente de la subfamilia P-450II B1; hidrocarburos alifáticos y derivados: CCI4, cloroformo, nitrosaminas - Tipo II, Hidrocarburos policíclicos (benzopireno, metilcolantreno, dioxinas) y nitroderivados aromáticos (azocolorantes); inducción específica de oxidasas de hidrocarburos aromáticos y de arilaminas, dependientes del citocromo P-450I A1 y A2 - Tipo III: Esteroides y Hormonas diversas - Tipo IV: Diversos: PCB, etanol, ácidos grasos poliinsaturados, humos, cannabinoides 2. Activación de receptores: - Comunes: Ach, adrenergéticos, GABA, glicina, etc. (Ver Capítulo 6) - Complejos: AH, PPA, NMDA, etc. 3. Bloqueo de receptores: Fe++ de hemoglobina por CO; Fe++ de citocromos por CNH (Ver Capítulo 7) (continúa) 06 toxicologia alim 24/11/08 13:45 Página 171 MECANISMOS DE TOXICIDAD Tabla 6.3. 171 Clasificación de los principales mecanismos de toxicidad. (Continuación) B. MECANISMOS DE TOXICIDAD NO MEDIADOS POR RECEPTORES: 1. ACCIONES ESPECÍFICAS 1. Quelación 2. Sustitución de constituyentes celulares: K por Li, Cl por Br, Ca por Pb, fosfolípidos por compuestos extraños, etc. 3. Suplantación de metabolitos por antimetabolitos 2. ACCIONES INESPECÍFICAS: 2.1. Alteraciones reversibles sobre: 2.1.1. La permeabilidad de la membrana celular 2.2.2. La estabilidad de la membrana 2.2.3. Tesaurismosis 2.2. Alteraciones irreversibles: 2.2.1. Causticación 2.2.2. Unión con reactivos electrofílicos: Alquilación. Arilación. Estrés oxidativo 1. Reacciones radicalarias 2. Reactivos de óxido nítrico 3. Tioles activos 2.2.3. Alteración de la homeostasis del calcio: facilitación de la entrada (glutamato, lindano), bloqueo de la salida (paracetamol, CCl4) C. MECANISMOS MIXTOS: 1. Alteraciones inmunitarias: 1. Hipersensibilización 1.1. Reacciones anafilácticas 1.2. Reacciones citotóxicas 1.3. Por inmunocomplejos 1.4. Mediadas por células 2. Inmunodepresión 3. Autoinmunidad 2. Modificación de la reproducción celular e individual y de la diferenciación: (Ver Capítulo 6) 1. Mecanismos epigenéticos (mitogenéticos) 2. Mecanismos genotóxicos: 2.1. Afectación del ADN: 2.1.1. de células germinales (gametos) o heredables: mutagénesis o teratogénesis 2.1.2. de células somáticas o no heredables: teratogénesis, carcinogénesis 2.2. Afectación del ARN: cancerogénesis, teratogénesis, otras agentes tensioactivos, algunos antibióticos y los anestésicos locales, alcoholes, etc. Los disolventes orgánicos, las aminas cuaternanas de cadena larga y demás compuestos lipófilos pueden disolverse en los lípidos de las membranas biológicas, o extraer los mismos por disolución. Sustancias como el éster polioxietilénico tritón, usado como agente no emulsionante, se acumulan en la membrana celular, alterando su tensión superficial y llegando a impedir la vida de las bacterias. La presencia del xenobiótico en la membrana bifásica, por simple disolución o por alguna forma de combinación química, puede modificar la orientación espacial de las moléculas de la membrana o producir cambios en la concentración de sus componentes, por agrupar micelas. 06 toxicologia alim 24/11/08 13:45 Página 172 172 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Los polielectrolitos cargados positivamente reaccionan con cargas negativas de la superficie de la membrana, aumentando su permeabilidad, al igual que ocurre con los compuestos donadores de hidrógeno cuando establecen puentes de hidrógeno con constituyentes biológicos. Otros compuestos como el ácido tánico, los dicromatos, percloratos, etc., denominados «rompedores de estructuras», introducen regiones planares en la estructura tetraédrica del agua modificando la permeabilidad, al igual que, por mecanismo inverso, hacen los «agentes formadores de estructuras», del tipo polietilenglicol, la polivinilpirrolidona (PVP), etc. En definitiva, tanto la separación de componentes de la membrana como la inclusión de un xenobiótico por disolución o reacción con aquellos, alteran las funciones de la membrana, especialmente la permeabilidad de la misma y su constante dieléctrica, factor fundamental en la transmisión nerviosa y en el intercambio de la célula con su medio. Estos mecanismos de alteración de la membrana celular han cobrado nuevo interés, al estimarse el papel de muchos xenobióticos que realizan una acción no específica sobre la estabilidad de la membrana, como la efectuada por los anestésicos locales, quinidina, etc. Consiste en una acción estabilizante de la membrana (MSA), tipo quinidina, que inhibe su despolarización (entrada de Na+) y por tanto el potencial de acción de las células excitables: ya que el bloqueo de los canales de sodio conduce también al bloqueo de los canales de potasio y de calcio; se ha observado esta actividad sobre el sistema nervioso central y periférico y sobre miocardio, en casos de sobredosis de alcoholes, barbitúricos, dextropropoxifeno, antidepresivos tricíclicos, antagonistas betaadrenérgicos, fenotiazinas, etc. (Henry y Cassidy, 1986). Otra forma de interferencia se produce por almacenamiento (tesaurismosis) de xenobióticos líquidos o sólidos (colorantes, materia particulada, tintas de tatuaje, etc.), que pueden penetrar en la célula por endocitosis (o sea, fagocitosis, pinocitosis o endocitosis mediada por receptor) y desplazar de su posición fisiológica a los constituyentes celulares. b.2.2. Alteraciones irreversibles: cuando consisten en acciones destructivas de carácter cáustico u oxidante por formación de combinaciones químicas estables (generalmente por establecimiento de enlaces covalentes) del tóxico con moléculas constituyentes de la membrana o de componentes subcelulares (biomoléculas); estas alteraciones estructurales pueden conducir a funciones defectuosas o a la muerte celular (necrosis). Según se sabe, hasta el momento, se producen por alguno de los siguientes procesos: 1. Causticación, que supone la desnaturalización de proteínas y de lípidos celulares. 2. Uniones con reactivos electrófilos (alquilación, arilación), producidos en reacciones radicalarias, en procesos de oxidación-reducción (conocidos como de estrés oxidativo), liberación de grupos reactivos, por ejemplo, por transtiolación, etc. Los agentes más importantes son: 2.1. Radicales libres y peróxidos. 2.2. Reactivos de óxido nítrico. 2.3. Tioles reactivos. 3. Alteración de la homeostasis del calcio y consecuentes activaciones enzimáticas. 1. Causticación La causticación supone una desorganización de los componentes tisulares. Básicamente es una quemadura química, muy diferente de la térmica, producida en el lugar de contacto del tóxico con el tejido orgánico, tanto en piel, mucosas externas y en vías digestivas y respiratorias, así como en riñón, médula espinal, nervio óptico, etc., donde llegan o se concentran determinados xenobióticos o se originan metabolitos para los que resultan especialmente sensibles los tejidos locales (fenol, formol, tricloroacético, etc.). Los agentes cáusticos son sustancias productoras de pH ácido o básico distante del fisiológico, o bien oxidantes o deshidratantes, disoluciones de algunos cationes orgánicos o inorgánicos, aniones aromáticos (como el ácido salicílico), detergentes catiónicos, etc., que destruyen o al menos desorganizan la arquitectura celular al desnaturalizar las proteínas. Se denomina desnaturalización al efecto de los agentes físicos o químicos que alteran la estructura de la molécula proteica sin romperla, es decir, sin proteolisis, que puede ser un paso posterior. 06 toxicologia alim 24/11/08 13:45 Página 173 MECANISMOS DE TOXICIDAD 173 Figura 6.3. Estructuras de las proteínas De las cuatro clases de estructuras que configuran las proteínas, la estructura primaria, es decir, la constituida por la secuencia lineal de los aminoácidos, unidos mediante enlaces covalentes, es la más resistente. Pero las estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria, mantenidas por enlaces mucho más débiles, como los puentes de hidrógeno o de disulfuro y fuerzas de Van der Waals, respectivamente, son más fácilmente atacadas (Fig. 6.3). Se acepta (Wu, 1931) que el proceso de desnaturalización consiste esencialmente en el despliegue de las cadenas peptídicas de su enrollamiento específico; con ello se desorganiza la estructura de la proteína, y se liberan grupos funcionales como sulfhidrilos, disulfuros, fenoles, etc., que participan en los puentes responsables de mantener la disposición específica de cada molécula proteica. Cuando un agente coagula las proteínas, se estima que la desnaturalización se sigue de una agregación de las moléculas desnaturalizadas. Con la desnaturalización se pierden, normalmente de forma irreversible, las capacidades biológicas de las proteínas como las enzimas, las hormonas, antígenos, agentes infecciosos (virus), al propio tiempo que se modifican sus propiedades fisicoquímicas, como por ejemplo la hidrosolubilidad. El efecto agresivo puede incidir sobre las proteínas del citoplasma, de los orgánulos o de las membranas, y puede conducir a la necrosis o muerte celular. A idéntico resultado conduce la acción de los cáusticos sobre los lípidos de membrana, que experimentan hidrólisis, esterificaciones o formación de sales (saponificación). La muerte celular por cáusticos alcalinos se denomina necrosis colicuativa, pues va acompañada de reblandecimiento y licuefacción (tumefacción y colicuación) del tejido, mientras que los ácidos producen coagulación, endurecimiento o fijación. 2. Establecimiento de uniones químicas persistentes entre el xenobiótico y las macromoléculas biológicas: alquilación y arilación En general, la unión de un fármaco con sus receptores es altamente reversible, lo que favorece la caducidad de la acción y la intervención de los antagonistas. Ello indica que las fuerzas de unión xenobiótico-receptor son bastante débiles, 06 toxicologia alim 24/11/08 13:45 Página 174 174 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL del tipo de puentes de hidrógeno, dipolo-dipolo o interacciones de dispersión (de Van der Waals). En algunos casos se ha mostrado un mecanismo de transferencia de carga, mediante la cesión parcial de un electrón por parte de un xenobiótico a la biomolécula. De esta manera se altera la actividad biológica de la misma o se modifica el comportamiento químico de las moléculas implicadas, lo que puede dar lugar al establecimiento de otros tipos de enlaces. Parece que mecanismos de esta clase intervienen en la acción de compuestos alucinógenos, como la LSD, hidrocarburos carcinógenos, anestésicos locales, antipsicóticos tipo fenotiazinas, etc. Pero las modificaciones más importantes de los receptores se producen cuando el xenobiótico establece con ellos uniones químicas mediante enlaces covalentes. Entonces, mediante el sistema de compartir dos electrones, que proporciona máxima energía a la unión, ésta adquiere un carácter generalmente irreversible; supone todos aquellos casos en los que las biomoléculas experimentan reacciones de alquilación o arilación, según que el reactivo sea lineal o cíclico, muy frecuentes en procesos tóxicos en los que homólogos naturales son sustituidos por xenobióticos que se fijan fuertemente. Los compuestos reactivos pueden ser los propios xenobióticos procedentes del exterior, pero generalmente se originan dentro del organismo en los procesos de biotransformación, que se desarrollan en el retículo endoplásmico, fundamentalmente, o en los orgánulos subcelulares o incluso en las membranas plasmáticas, en procesos de óxido-reducción en que participa el citocromo P-450 y la flavoproteína NADPH- citocromo c reductasa, normalmente con intervención del sistema microsómico oxidante de función mixta (MFO) y, en algunos casos, de enzimas citosólicas. De esta forma se originan compuestos con estructura electrófila (deficiente de electrones) de gran reactividad con los compuestos nucleófilos (ricos en electrones) como por ejemplo los aminoácidos, en sus átomos de S, N y O, o las bases de ADN y ARN, en sus átomos de N y O. Se constituyen así los aductos, productos (generalmente macromoléculas), de gran interés en Toxicología, formados por la unión de dos sustancias (por ejemplo, un compuesto activo y una molécula biológica) sin que ninguna de ellas sufra pérdidas de trozos moleculares. Los reactivos alquilantes son capaces de actuar sobre cualquiera de los componentes químicos celulares. Así, establecen enlaces covalentes con los aminoácidos proteicos, del hem (sobre la lisina) y sobre las bases de los ácidos nucleicos (ADN y ARN) con los que forman aductos, y sobre los componentes del esqueleto celular (miofibrillas). Al incidir sobre los lípidos de la membrana (fosfatidilcolina), especialmente a través de reacciones radicalarias de peroxidación, se forman óxidos y peróxidos de los ácidos grasos insaturados (sobre todo de los poliinsaturados, PUFA), con liberación de alcanos, alquenos, hidroxialdehídos, productos de polimerización, etc. En estas reacciones (al igual que realiza la enzima fosfolipasa A, presente en algunas biotoxinas) por hidrólisis de la fosfatidilcolina se libera lisofosfatidilcolina fuertemente citotóxica. Los metabolitos reactivos han sido clasificados (Castro, 1988) según su tiempo de existencia libre, que es inverso a su reactividad en: a) De vida ultra corta: reaccionan con la propia enzima que los forman en lo que se ha denominado «suicidio enzimático», Y normalmente tienen funciones autorreguladoras. b) De vida corta: tienen tiempo para reaccionar con otros constituyentes de la misma célula en que se originan. c) De vida larga: pueden alcanzar la vía sistémica, distribuirse y actuar sobre otros tejidos. Reactivos electrófilos y nucleófilos Las moléculas electrófilas poseen centros con baja densidad electrónica, por lo que preferentemente se unen a otras moléculas con centros de alta densidad electrónica, que son las nucleófilas. El tipo de éstas es determinado por el tamaño molecular, la densidad de carga y el grado de polarización del electrófilo. Un electrófilo con elevada carga positiva, como los iones de alquilcarbonio, se denomina «duro», mientras que los que tienen una carga positiva baja, como las quinonas o la acrilamida, se denominan «blandos». De la misma manera, un nucleófilo duro posee alta electronegatividad, como el oxígeno de las bases de ADN, mientras que un nucleófilo blando tiene baja electronegatividad, como los grupos SH. De esta forma, un electrófilo duro reacciona 06 toxicologia alim 24/11/08 13:45 Página 175 MECANISMOS DE TOXICIDAD preferentemente con nucleófilos duros. Así, compuestos carbonilos no saturados o quinoides reaccionan preferentemente con grupos sulfhidrilos de aminoácidos o péptidos, mientras que carbocationes alifáticos o aromáticos reaccionan con el oxígeno de las bases de purina y pirimidina. Los compuestos nucleófilos más frecuentes y destoxicantes son el agua, el glutatión y las proteínas, aunque la alquilación o arilación de estas suele ir unida a toxicidad. Las dianas nucleófilas de las proteínas son los grupos sulfuro de sus aminoácidos azufrados, como cisteína y metionina, o el nitrógeno de histidina y lisina. Los factores que determinan el ataque de una proteína por un metabolito reactivo son: 1. La reactividad del metabolito, que es, obviamente, inversamente proporcional a su vida media, que cuanto más corta es se corresponde con mayor reactividad, pues reacciona con el compuesto más próximo. 2. La concentración del reactivo. 3. La presencia local de mecanismos defensivos antielectrófilos, como captadores o scavengers. Consideremos un par de ejemplos: — El acrilonitrilo, componente de pásticos y resinas, es un nitrilo α-β-no saturado que no necesita ser activado, pues actúa como electrófilo blando con los grupos sulfhidrilo. — La acetaminofenona, p-acetamol o p-aminofenol, antitérmico muy utilizado, es oxidado por CYP a N-acetil-p-benzoquinonimina, electrófilo, pues arila un gran número de proteínas del hígado, presentes en el retículo endoplásmico, mitocondrias y citosol; también induce un estrés oxidativo masivo y oxidación de proteíntioles, y transactiva genes implicados en la respuesta inmediata al estrés. Entre las especies reactivas cabe destacar a los radicales libres (que se referirán más adelante), a los epóxidos, los iones carbonio, los carbenos, el azufre atómico y algunos compuestos oxidados de éste, etc. Los epóxidos se forman por oxidación de un doble enlace entre dos átomos de carbono; se cons- 175 tituye así en la molécula un anillo triangular con dos C en sendos vértices y un oxígeno en el restante. Por la distribución de las cargas, los C del epóxido son muy electrófilos, lo que suele conferir a la nueva molécula propiedades muy tóxicas y especialmente cancerígenas; muchas sustancias consideradas pro-carcinógenas (como benzopireno, aflatoxinas, heptaclor, etc.) requieren su oxidación a la forma epóxido, para actuar. En la ruptura heterolítica (véase 2.1) de un enlace por un proceso de ionización se forman los carbocationes y los carbaniones, mientras que por ruptura homolítica se originan los carbenos y los radicales libres. El ion carbonio o carbocatión o radical catión (RR·+) es una estructura molecular que contiene un C con tres sustituyentes y pérdida de uno o dos electrones, lo que le confiere carga positiva, por lo que es muy electrófilo, reactivo e inestable; produce adiciones electrófilas, eliminación de protones con formación de doble enlace, transposiciones de carga intra e intermoleculares, etc. Siguen este mecanismo, paraquat (PQ++–1e→ PQ·+), dimetilnitrosamina, 2-acetamidofluoreno, dimetilbenzantraceno, etc. Los carbaniones han ganado dos electrones, por lo que adquieren carga negativa: se producen a partir de compuestos betadicarbonílicos (acetilacetona, etc.), algunos aromáticos, etc. Los carbenos poseen un C con dos sustituyentes y dos electrones desapareados, con idéntico o diferente spín, y aunque tienen carácter neutro, resultan muy electrófilos; son ejemplos, monóxido de carbono (C = 0), metileno (:CH2), isocianuros (R N = C), etc. El azufre atómico presenta una configuración electrónica en su capa externa similar a la de los carbenos; se forma por acción de 1as MFO y reacciona con las proteínas inmediatas, al parecer sobre sus grupos tioles formando disulfuros (RSSH), y eliminándose como tiocianato. Por oxidación de tioles (R-SH), tioamidas (RS-NH2), tioureas (NH2-SC-NH2), etc., se forman sulfinos, sulfenos, ácidos iminosulfínicos e iminosulfénicos, etc., también electrófilos, y tanto más reactivos cuanto más oxidados sean; originan aductos con los aminoácidos y las bases de ácidos nucleicos. Se forman así metabolitos fuertemente alquilantes, que lesionan las estructuras del hígado, pul- 06 toxicologia alim 24/11/08 13:45 Página 176 176 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL món, riñón, etc. Un interesante ejemplo lo constituye el medicamento p-aminofenol, que es oxidado en el hígado, cuando éste no dispone de suficiente glutatión (que actúa de reductor), a una benzoquinonimina capaz de unirse covalentemente a constituyentes de la membrana del hepatocito con subsiguiente necrosis de éste. Los principales procesos que originan metabolitos reactivos son: a) reacciones radicalarias y estrés oxidativo, b) reactivos de óxido nítrico, e) alteración de la homeostasis del calcio, d) liberación de tioles reactivos. 2.1. Reacciones radicalarias Durante los últimos veinte años, se viene explicando el mecanismo de acción de numerosos tóxicos mediante la actuación de radicales libres, que originan reacciones radicalarias o en cadena y la situación conocida como estrés oxidativo. Para su mejor comprensión, conviene repasar algunos conceptos de Química atómica. Recordemos que los átomos y moléculas estables no poseen carga eléctrica ni propiedades magnéticas (son diamagnéticos); en su capa externa tienen completo el número de electrones de valencia que les corresponde, todos ellos formando parejas cuyos integrantes tienen un giro o spin con sentido contrario, con lo que los campos magnéticos que producen se anulan o compensan. Cuando un átomo o una molécula pierde o gana un electrón, se forma un ion positivo o negativo; pero cuando un átomo se une a otro sin perder ni ganar electrones, sino cediendo uno para que gire en la capa externa de otro átomo, que a su vez aporta un electrón para que haga lo mismo en el primer átomo, se establece el llamado enlace covalente o de electrones compartidos, que dan a la molécula una gran estabilidad. A pesar de ello, y por las causas que ahora veremos, esta unión puede romperse y dar lugar a dos tipos de especies químicas: a) Ambos electrones quedan en una parte de la molécula, que se carga negativamente, mientras la otra adquiere carga positiva. Se forman, pues, dos iones A: B → A– + B+. b) Con cada parte de la molécula va un electrón, formándose dos radicales libres. A : B→ A• + B• Esta escisión homolítica (frente a la heterolítica anterior) puede producirse por la incidencia de radiaciones térmicas o electromagnéticas (luz visible, luz UV, RX, radiaciones ionizantes, partículas a, b, neutrones, protones, etc.), que, respectivamente, originan moléculas fotosensibles, excitadas o ionizadas; o bien en procesos metabólicos con reacciones de óxido-reducción que impliquen que en la capa electrónica de un átomo quede un electrón desapareado (octeto incompleto). En estas mismas circunstancias se pueden formar radicales libres cuando una especie química neutra cede o capta un electrón; así el tetracloruro de carbono forma el radical triclorometilo, mientras que el paraquat origina un radical libre catiónico. Por definición, un radical libre (R•) es la especie química que posee uno o más electrones desapareados o desacoplados en un orbital atómico o molecular, por lo que puede tener carga positiva, negativa o neutra; el spin del electrón desapareado origina el momento magnético del radical, que se comporta como paramagnético (es atraído o repelido por los imanes) y puede ser detectado por la espectrometría de resonancia magnética del spin del electrón (ESR). Son extraordinariamente reactivos, aunque pueden estabilizarse por resonancia del electrón. Concretando, los procesos de producción de radicales libres, son: a. Termolisis de enlaces inusualmente débiles, cuya ruptura requiere aplicar baja energía, en sustancias que reciben el nombre de iniciadores de reacciones radicalarias. b. Radiolisis, por radiaciones ionizantes, que inicialmente dan lugar a radicales catiónicos y electrones, y seguidamente originan un radical neutro y un sustrato cargado. Ejemplos: la radiolisis del agua y sustancias disueltas, con liberación de un átomo de hidrógeno y de un radical hidroxilo, ambos muy reactivos; iniciación de la llamada auto-oxidación de los lípidos, in vivo. c. Fotolisis o fotodisociación; la luz visible (solar) o la luz ultravioleta rompen dobles enlaces u otros débiles, con producción de radicales libres y oxidaciones, que en el ser vivo provocan pigmentación, envejecimiento, porfiria, cáncer, etc. d. Oxidantes: d.1. Ozono. Niveles normales de ozono en el aire (0.01-0.02 ppm) son suficiente para iniciar la 06 toxicologia alim 24/11/08 13:45 Página 177 MECANISMOS DE TOXICIDAD autooxidación de los ácidos grasos poliinsaturados (PUFA) in vivo, y producir tanto daño biológico (medido por roturas de cromosomas) que las radiaciones. El ozono reacciona con cualquier molécula orgánica (alcanos, alcoholes, aldehídos, aminas, PUFA, tioles, silanos, etc.) e inicia la producción de radicales. d.2. El singlete o singulete de oxígeno y el anión superóxido (véase más adelante) actúan de forma similar al ozono, y dan lugar a radicales o a sus precursores, a través de reacciones no enzimáticas. d.3. Óxidos de nitrógeno: NO, NO2; son ya radicales libres bastante estables, que reaccionan con las olefinas por adición, catalizan la isomerización de los ácidos grasos insaturados de las membranas biológicas y pueden iniciar la autooxidación. Con el agua oxigenada dan radical hidroxilo y peroxinitrito o peroxinitrato (reacción de Fenton): H2O2 + NO → HO + HONO H2O2 + NO2 → HO• + HONO2 • e. Iones de metales de transición (hierro, cobre, manganeso, cromo, níquel, etc.); cambian su estado de valencia por pérdida o ganancia de un electrón, mediante reacciones de oxidación-reducción, y provocan transferencia del electrón, dentro del ciclo de Haber-Weiss, que explica la reacción de Fenton (véase más adelante), en que el Fe2+ cataliza la descomposición del peróxido de hidrógeno a radical hidroxilo (HO•) y anión oxidrilo (HO-). Este mecanismo parece que participa en la eliminación de bacterias fagocitadas por los leucocitos polimorfonucleares y los macrófagos, que liberan HO• y otros radicales. f. Mecanismos enzimáticos, fundamentalmente dentro de los procesos redox respiratorios, en los que xenobióticos se transforman en radicales libres, como por ejemplo: – el disolvente tetracloruro de carbono origina el radical triclorometilo: Cl3C•, – el herbicida bipiridílico paraquat (PQ++) es reducido al radical catión: PQ•+, – el alcohol etílico forma el radical α-hidroxietilo: CH3-•CHOH, etc. En estos procesos interviene el citocromo P450 y las enzimas con él relacionadas, como xantina oxidasa, aldehído oxidasa, alcohol deshidrogenasa, u otras como NADPH-citocromo c reductasa, NADPH-citocromo b reductasa, etc.; paralelamente, el oxígeno molecular se reduce a anión superóxido y se forma agua oxigenada y radical hidroxilo (véase más adelante). g. Sustancias diversas, como asbestos, resinas, humo del tabaco, etc., que inducen a los fagocitos a producir anión superóxido y peróxido de hidrógeno. Los radicales libres originan reacciones en cadena, cuyas principales características son: 2.1.1. Mecanismos de las reacciones radicalarias Una reacción radicalaria consta de varias fases o etapas: a) Fase de iniciación. Conforme acabamos de ver, se rompe un enlace molecular y se forman los radicales libres: RH → R• + H• R - N = N - R → 2R• + N2 b) Fase de propagación. Los radicales libres son fuertemente reactivos, y pueden originar nuevos radicales, en una reacción en cadena o cascada: R• + O2 → ROO• (radical peroxilo) → H2O2 + Fe2+ → HO• + HO- 177 + RH → R• + ROOH (hidroperóxido) El hidroperóxido (ROOH) puede presentarse como radical hidroperóxido (•ROOH) . Algunos hidroperóxidos son poco estables y se descomponen espontáneamente en compuestos oxigenados; también se producen otras reacciones (cadena ramificada) que aceleran la oxidación. c) Fase de terminación. La reacción radicalaria se puede interrumpir por varias causas: c.1. Interacción de dos radicales libres (formación de polímeros). R• + R• → R – R 06 toxicologia alim 24/11/08 13:45 Página 178 178 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL c.2. Bloqueo por reacción con alguna sustancia captadora o scavenger, tipo vitaminas E y C, selenio, glutatión, antioxidantes sintéticos (BHT), manitol, etc., que interrumpen los procesos de óxido-reducción por ser aceptadores de electrones. Los radicales nitroxilo (nitróxidos: R 2 N-O • ) reaccionan con otros radicales libres y adquieren una estabilidad que les permite su uso para el estudio del spin. c.3. Combinación de dos radicales peroxilos: conocida como espectroscopía de resonancia paramagnética del electrón (EPR); para ello se pueden estabilizar por reacción con los compuestos conocidos como spin-trap, de los que los más usados son nitrosoalcanos y nitrosobencenos y los nitrona, con formación de radicales nitróxido. 2. Adición a dobles enlaces, y formación de radicales libres secundarios y, a su vez, de reacciones en cadena, a partir de anillos aromáticos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Reactividad con grupos nucleófilos (aminas, tioles, etc.). 3. Abstracción de átomos de hidrógeno de biomoléculas. 4. Formación de dímeros y polímeros ROO• – + ROO• → ROOR + O2 c.4. Combinación de un radical libre y un peroxilo: R•+ R• → R – R R + ROO → ROOR • • o bien; actuando sobre monómeros: ROOH → RO• + OH RO• +M → RO – M• 2.1.2. Propiedades de los radicales libres → 1. Paramagnetismo: el electrón desapareado les confiere susceptibilidad magnética, que les permite ser determinados por técnica de espectroscopía de resonancia del spin del electrón (ESR), también O2 +e– –• O2 +e– Anión superóxido Molécula de oxígeno —COOH —C-C- Hidroperóxido O-O peróxido H2O2 +e– Peróxido de hidrógeno OH Radical hidroxilo -C–C- -O-O-Opoliperóxido O epóxido La molécula de oxígeno (O2) en estado natural o básico es un birradical ( ·O-O· ) bastante estable; cada uno de sus orbitales moleculares más externos (2pπ*) posee un electrón desapareado, y ambos tienen spines paralelos, +e– • -C-C-C- Especies reactivas de oxígeno 2p + n.M – RO – Mn 5. Formación de moléculas oxidadas y especies de oxígeno activo, como: H2O Agua 1 O2 singlete o singulete de oxígeno O2–• anión superóxido lo que configura la forma de triplete, que se simboliza por 3O2 o por Σ3 O 2, y da tres picos o señales en el espectro de ESR. Consecuentemente, el O2 no es muy reactivo porque solo uno de los dos electrones puede establecer un enlace covalente con otro electrón. Si uno de los electrones absorbe energía cambia el spin; este oxígeno excitado constituye el singlete o singulete de oxígeno (1O2), mucho más reactivo y oxidante porque sus dos electrones, con spines opuestos, pueden reaccionar con otro par de electrones. 06 toxicologia alim 24/11/08 13:45 Página 179 MECANISMOS DE TOXICIDAD O2 + 1 e- → O2 -• 3 O2 + ε → D1O2 + -•ε → ∑1O2 + ε + e → O2 3 Σ1O2 Por otra parte, también se puede formar el singulete por acción de los metales de transición, que pueden invertir el spin de uno de los electrones desapareados en la molécula de oxígeno. ++ ++ O2 Fe , Cu 1 O2 Así, cuando una molécula de oxígeno O2 toma un electrón, se reduce relativamente y origina el anión superóxido O2–•, que químicamente actúa como: – Base fuerte y puede extraer protones. OO R1 → R +e O2 LH – e– → L•– •– → •– → → LH L LOO LOOH • – (radical alquilo) Por su interés biológico, destaca la capacidad oxidante de los radicales libres sobre los lípidos celulares, y especialmente sobre los ácidos grasos insaturados. Así, sobre el ácido linoleico (9,12-octadecanoico) el grupo hidroperoxilo se puede unir al azar a cualquier carbono del 8 al 14, originando desplazamiento de los dobles enlaces y producción de un puente de peróxido, y posterior rotura de la molécula con liberación de malonildialdehído (MDA): R R R – Potente reductor: pasa quinonas a semiquinonas e iones de metales de transición a sus formas reducidas. – Oxidante débil: inicia reacciones de oxidación. – Agente nucleófilo que reacciona con los compuestos electrófilos. – Se dismuta a peróxido de hidrógeno y oxígeno. El agua oxigenada, por acción de los iones metálicos, pasa a radical oxidrilo e ion hidroxilo (véase más adelante). Todo esto significa que la molécula de oxígeno es un oxidante débil, pero puede transformarse en singulete de oxígeno, anión superóxido, agua oxigenada y radical oxidrilo, fuertemente reactivos y lesivos para la integridad de los sistemas vivos. La geometría orbital del anillo epóxido le proporciona muy alta energía y reactividad alquilante, de gran importancia en toxicología. 6. Oxidación de lípidos de membrana: Lipoperoxidación Al actuar un radical libre sobre un ácido graso insaturado (LH), le sustrae un electrón, formando un radical alquilo L•–; éste suma un oxígeno y da un radical peroxilo LOO•, que, a su vez, sustrae un electrón de un ácido graso próximo (LH), originando un hidroperóxido LOOH, pero un nuevo radical alquilo mantiene la cadena de reacción. → Por otra parte, el oxígeno molecular puede ser reducido parcialmente por reacciones enzimáticas o no enzimáticas, lo que permite la producción de otras especies reactivas como anión superóxido, peróxido de hidrógeno y radical hidroxilo, que reciben el nombre de especies reactivas de oxígeno (ROS), también conocidas como radicales libres de oxígeno, aunque no todas ellas son radicales (por ejemplo: H2O2). En el interior de la célula se producen constantemente ROS y son destruidas en lo que constituye un ciclo redox. Efectivamente, sin embargo el oxígeno es activado en el medio biológico, pues a través el oxígeno es activado en el medio biológico, pues a través de ciclos redox puede recibir energía y electrones; con un cuanto de energía pasa al estado de singulete D1O2, y con más energía al singulete ∑1O2; estos singuletes de oxígeno, cuyos dos electrones citados han adoptado spines opuestos, y dan un único pico en ESR, aunque no son radicales libres, son muy oxidantes y reactivos; así, por ejemplo, con las olefinas producen hidroperóxidos. Con más energía y un electrón se transforman en el radical anión superóxido O2-•, que puede actuar como oxidante débil o reductor fuerte. 179 O O• HO O O• HO MDA 06 toxicologia alim 24/11/08 13:45 Página 180 180 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL A partir de los ácidos grasos se originan también diferentes alcanos, cetonas y alquenales, éstos muy electrófilos, que fácilmente alquilan a nucleófilos celulares (grupos tioles). 2.1.3. Radicales libres en el medio biológico Recordemos que en la respiración celular el oxígeno no oxida directamente a los sustratos, sino que de éstos, y por acción de las enzimas deshidrogenasas situadas en la cara interna de la membrana de las mitocondrias, se separan electrones, en forma de hidrógeno, que reducen al oxígeno molecular. En el proceso intervienen las coenzimas transportadoras de electrones. Igual ocurre en las biotransformaciones oxidativas, con participación del cit-P-450. Para reducir una molécula de O2 se precisan 4 electrones; cuando no se dispone de ellos, o la reacción no es total, se pueden formar derivados del oxígeno de gran reactividad (oxígeno activado, reducido) y toxicidad sobre las moléculas biológicas. La reducción de O 2 por 1 e – → O 2 • – (radical superóxido). La reducción de O2 por 2e–→ H2O2 Por otra parte, la formación de un radical libre da lugar a la formación de radical superóxido (que se simboliza también por O 2 –• o por O •– ) y dos moléculas de éste, por dismutación, a peróxido de hidrógeno (H2O2) (Figura 6.4). También los metales con electrones desaparecidos en el orbital d los ceden fácilmente al oxígeno. El peróxido de hidrógeno puede ser reducido por el ion ferroso (según la reacción de Fenton), por la catalasa, o por otros metales (cobre, etc.). H2O2 + Fe2+ → OH• + OH– + Fe3+ El ion ferroso libre, requerido para la reacción de Fenton, es muy escaso en el interior de las células, donde se encuentra unido a las hemoproteínas o, como ion férrico unido a la ferritina; en la sangre, el Fe II está en la hemoglobina, y el Fe III es transportado por la transferrina, y como tal penetra en las células y es almacenado; allí se libera por el pH ácido y por proteolisis. Entonces, cuando se forma ion superóxido, ocurre: Fe3+ O2•– → Fe2+ O2 Fe + H2O2 → Fe3+ OH• + OH– 2+ P• P 2O2•– 2O2 SOD Fe3+ H2O2 + O2 Catalasa HO- + HO• Fe++, Cu++ 1 O2 i e e y e e t R. de Fenton (Fe++) i e e e e e e y e e e e e t Reacción de Haber-Weiss (Fe+++) Figura 6.4. Reacciones de Haber-Weiss y Fenton. i e e y e e t 06 toxicologia alim 24/11/08 13:45 Página 181 MECANISMOS DE TOXICIDAD que, en conjunto, constituye la reacción de Ha ber-Weis, en que el Fe3+ actúa de catalizador para: O2•– + H2O2 → OH• + OH– + O2 Frente a ellos las células poseen varios mecanismos defensivos. Las células aeróbicas contienen en la mitocondria o en el citosol varias formas de la enzima superóxido dismutasa (SOD) (metaloenzimas con Cu, Zn-Cu, Mn, Fe), que transforma el superóxido en peróxido de hidrógeno. Es un importante grupo de metaloenzimas que pueden ser citosólicas, mitocondriales o extracelulares. Su síntesis es codificada por tres genes: SOD1, para la SOD-Cu,Zn, citosólica, SOD2, para la SOD-Mn, mitocondrial, y SOD3, extracelular. La dismutación supone la reacción de dos moléculas de la misma especie; así la SOD cataliza la reacción de dos moléculas de anión superóxido, tras la que una molécula sale oxidada en forma de oxígeno molecular (O2), y la otra reducida, como peróxido de hidrógeno (H2O2). La SOD puede ser inducida por exceso de radicales libres y, en los pulmones, por el oxígeno hiperbárico; por el contrario, algunas sustancias son inhibidoras de la SOD, como disulfiram, aminotriazol, etc., que refuerzan el proceso oxidativo. Por su parte, en los peroxisomas hay catalasa para descomponer el agua oxigenada. Además la célula dispone de un sistema de reducción, denominado del glutatión, integrado por las enzimas glutatiónperoxidasa, glutatiónreductasa (dependiente de selenio) y glucosa-6-fosfatodeshidrogenasa (G-6-P). Así, para combatir el H2O2 que se forma continuamente en los peroxisomas, se dispone de 2 enzimas, la catalasa y la glutatión peroxidasa (GS-Px), cuyo producto final es el radical hidroxilo, extremadamente reactivo, originado en la reacción de Fenton catalizada por hierro. La presencia de cantidad suficiente de selenio es imprescindible para la actividad óptima de la glutatiónreductasa, de la cual se han identificado 4 variedades: GSHPx-1, GSHPx-2, GSHPx-3 y GSHPx-4 Las metalotioneínas no se limitan al transporte de metales, sino que también, al unirse a ellos, les impiden formar radicales libres peligrosos. Así, el cadmio y el mercurio que, por su afinidad con los compuestos nucleófilos se unen a los grupos tioles presentes en albúmina, cisteína, homocisteína, glu- 181 tatión, metalotioneína, etc, inactivádolos y transportándolos, se liberan con relativa facilidad de la mayoría de dichas moléculas excepto de las metalotioneínas. Las formas moleculares oxidadas y las que venimos denominando de oxígeno activo integran las llamadas especies reactivas de oxígeno (ROS), de la misma manera que hay especies reactivas de nitrógeno (RNS), de cloro (RClS), etc., expresiones que abarcan no sólo a los radicales libres sino también a otras moléculas oxidantes o que pueden convertirse fácilmente en radicales (véase Tabla 6.4). Las especies reactivas de oxígeno (ROS) se producen habitualmente en todos los organismos aerobios, en los que los agentes tóxicos, incluidos los contaminantes ambientales, perturban el equilibrio redox celular y conducen a una alteración de las funciones biológicas normales. Este desequilibrio contribuye al envejecimiento, a la producción de enfermedades (patogénesis), al cáncer y a cambios en la expresión de diferentes genes Tabla 6.4. Resumen y nomenclatura de las especies reactivas ordenados según crece su actividad Radicales libres No radicales De oxígeno De oxígeno Superóxido, O•_ Peróxido de hidrógeno, H2O2 Hidróxilo, OH• Ozono, O3 Hidroperoxilo, HO•2 Singlete de oxígeno, 1O2 • Peroxilo, RO 2 Peróxidos orgánicos, ROOH Alcohoxilo, RO• De nitrógeno De nitrógeno Ácido nitroso, HNO2 • Catión nitrosilo, NO+ Óxido nítrico, NO • 2 Dióxido de nitrógeno, NO Anión nitroxilo, NO– De cloro Catión nitrilo (nitronio), NO+2 • Cloro atómico, Cl Peroxinitrito, ONOOR De bromo Cloruro de nitrilo (nitronio), Bromo atómico, Br• NO2 Cl De cloro Gas cloro, Cl2 Ácido hipocloroso, HOCI Cloraminas De bromo Ácido hipobromoso, HOBr Según Whiteman, 2003. 06 toxicologia alim 24/11/08 13:45 Página 182 182 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL (véase Genotoxicología). Podemos señalar algunos ejemplos: En el metabolismo de alimentos, medicamentos, productos industriales y contaminantes se producen numerosos compuestos fenólicos, algunos de los cuales son extremadamente tóxicos, mientras que otros parecen actuar como protectores celulares, e incluso otros son importantes constituyentes intracelulares. Los compuestos fenólicos juegan un papel crítico en las reacciones redox intracelulares y también reaccionan con los receptores de estrógenos. En las reacciones redox, tanto enzimáticas como no-enzimáticas, se producen radicales fenoxilo (C6H5O•), de gran reactividad y que adicionan compuestos electrófilos en las posiciones orto y para. De esta reactividad, que dificulta su detección y determinación, depende que el compuesto sea citotóxico, protector antioxidante o catalizador selectivo; así se dice que los radicales fenoxilo pueden actuar como antioxioxidantes o como prooxidantes. La formación de radicales tirosilo por la mieloperoxidasa constituye una vía de peroxidación de lípidos y de proteínas en los procesos que conducen a la aterogénesis; el radical tirosilo también interactúa con el óxido nítrico. La oxidación de estrógenos y antiestrógenos da lugar a radicales quinoides que participan en la cancerogénesis. Para contrarrestar los efectos oxidantes y restaurar la homeostasis redox, las células pueden adaptar sus parámetros críticos y establecer un nuevo estado estacionario. El desequilibrio entre la producción de especies reactivas y la defensa antioxidante, a favor de los primeros, ha sido definido como estrés oxidativo, y supone una potencialidad de daño que puede ir desde un intento de adaptación por parte de la célula, una alteración de su fisiología (liberación de iones Ca++, activación de proteasas, etc.), a lesiones o muerte celular. Los cambios producidos por el daño oxidativo y la restauración de la homeostasis dan lugar, a menudo, a la activación o represión de genes que codifican factores reguladores de transcripción, enzimas antioxidantes defensivas y proteínas estructurales. Actualmente interesa grandemente conocer los mecanismos seguidos por las ROS para modular las cascadas de señales de transducción y la expresión de los genes. El proceso fisiopatológico se puede desarrollar por los siguientes mecanismos: 1. El radical libre del producto primitivo puede alquilar diferentes componentes tisulares (membranas celulares, retículo endoplásmico, enzimas, etc.), produciendo necrosis o déficit metabólico o de defensa, o trastornos en la reproducción celular (cáncer) por alteración de los ácidos nucleicos. 2. Las formas de «oxígeno activado» actúan preferentemente oxidando fuertemente los lípidos celulares (especialmete los lípidos insaturados) y también los compuestos con grupos SH (glutatión, etc.), iniciando lo que se conoce como estrés oxidativo, que da lugar a procesos inflamatorios y citotóxicos. Precisamente, los fagocitos activados, en su función bactericida, liberan O2•– + H2O2 Estrés oxidativo Se reconoce como un mecanismo fundamental en la toxicidad de muchos xenobióticos y que también está implicado en la patogénesis de numerosas enfermedades, y el culpable de que el oxígeno, indiscutido como indispensable para la vida, haya sido denominado elemento paradójico a causa de sus efectos nocivos. El estrés oxidativo se puede definir como una situación de desequilibrio entre la producción de moléculas oxidantes frente a la presencia de antioxidantes, a favor de los primeros; actúa no sólo en procesos de oxidación-reducción, sino también en señales de regulación y transducción en la expresión de genes a través de mecanismos redox (Boelsterli, 2007). Ejemplo de agente causante de estrés oxidativo es la DMNQ (2,3,dimetil-1,4-naftoquinona); en concentraciones intermedias (30 mM), menores de las que producen muerte celular por necrosis oncótica (100 mM), este compuesto bloquea a la ornitin descarboxilasa, interrumpe la proliferación celular y activa las endonucleasas responsables de la fragmentación nucleosómica y de la apoptosis. También son agentes activadores directos de endonucleasas, el TCDD y el tributilestaño (pero no el trimetil o el trifenilestaño). Las endotoxinas de bacterias Gram negativas (lipopolisacáridos, LPS), que en la sangre se unen a proteínas (LPS-BL), son potentes activadores de 06 toxicologia alim 24/11/08 13:45 Página 183 MECANISMOS DE TOXICIDAD las células de Kupffer del hígado, las cuales liberan ROS y citoquinas proinflamatorias, incluyendo el factor de necrosis tumoral alfa-TNF; el principal ROS producido es el anión superóxido, que se dismuta a peróxido de hidrógeno. Si este no es rápidamente inactivado por la catalasa y GS-Px; se puede agravar el estrés oxidativo. Los lípidos peroxidados forman hidroperóxidos lipídicos que pueden seguir dos caminos (Figuras 6.5 y 6.6). a) Formar radicales libres lipídicos que peroxiden, a su vez, a otros lípidos, entre ellos a los constituyentes de la membrana celular. Esta peroxidación puede ser interferida por la vitamina E; como resultado de la peroxidación se produce lesión de la membrana y liberación de malonildialdehído. b) Ser reducido por la enzima glutationperoxidasa (selenio dependiente) y el concurso de glutatión, glutationreductasa, NADPH y G-6-Pdeshidrogenasa, a alcoholes grasos. La GS -peroxidasa se encuentra en el citosol y en las mitocondrias. En consonancia con esto, se sabe que los animales con dieta deficiente en vitamina E o selenio Figura 6.5. 183 experimentan con mayor gravedad las reacciones radicalarias. En éstas, por otra parte, se manifiesta inducción de las enzimas superóxido dismutasa, glutationreductasa y G-6-P-deshidrogenasa. La lipofuscina se ha denominado también lipocromo o pigmento del envejecimiento, que aparece en el citoplasma en forma de gránulos de color marrón amarillento; consiste en polímeros de lipoperóxidos formados en la peroxidación de lípidos y fosfolípidos insaturados de las membranas de los orgánulos celulares. No es dañina por sí misma, pero es un signo revelador de la actuación de radicales libres y de peroxidación lipídica; se observa muy abundantemente en hígado o corazón de ancianos, de enfermos de cáncer o de malnutrición y en algunos intoxicados. Resumiendo la acción fisiopatológica de los radicales en el medio biológico, tenemos: Algunos xenobióticos, como paraquat, aloxano, bromobenceno, compuestos quinoides (menadiona, adriamicina, p-acetamol), alcohol alílico (que se convierte en acroleína), etc., pueden experimentar una oxidación microsómica por distintas Reacción en cadena o interrupción de la peroxidación lipídica. 06 toxicologia alim 24/11/08 13:45 Página 184 184 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Reducción no enzimática por antioxidantes Figura 6.6 Metabolismo de hidroperóxidos. oxidasas (citocromo P-450, xantinoxidasas) conducida por NADPH, o por ciclos redox, perdiendo un electrón y originando un radical libre (P • ). Simultáneamente se produce una activación del oxígeno molecular que se transforma en radical superóxido (O2•–). Este puede dismutarse espontáneamente, dando lugar al singlete de oxígeno (1/2 O2), que también posee gran capacidad oxidante, pues en la membrana forma un hidroperóxido (-ROOH); además, el radical superóxido puede ser destruido por la enzima superóxido dismutasa, en un intento de protección biológica, pero produciendo agua oxigenada, también lesiva para las estructuras biológicas, lo que obliga a actuar a las catalasas para destruirla; por otra parte, el H2O2, puede reaccionar con el radical superóxido y originar un radical hidroxilo (OH•) y un ion oxidrilo (OH–). De gran interés clínico es la formación de radicales libres cuando, después de una isquemia cerebral, se reanuda la circulación sanguínea (lo que se denomina reperfusión), y que agrava el daño tisular. Esquemáticamente, a través de reacciones de biotransformación se producen (Figura 6.7). A. Alquilación de elementos celulares nucleofílicos. — Necrosis. — Déficit. Metabólico. Defensivo. — Cáncer. B. Peroxidación de lípidos celulares y oxidación de GSH y proteíntioles. Rotura de membrana. Inhibición enzimática. Pero además, compuestos como los radicales superóxido e hidroxilo, el peróxido de hidrógeno, etc., conocidos también como compuestos intermedios de oxíg eno reducido (ROI) ceden electrones al citocromo c, provocando la apoptosis; por el contrario, las condiciones anaerobias, los antioxidantes y la N-acetilcisteína (que capta ROI) disminuyen la apoptosis. 06 toxicologia alim 24/11/08 13:45 Página 185 MECANISMOS DE TOXICIDAD 185 Figura 6.7. Consecuencias de la biotransformación. Hay una lista creciente de sustancias (como los ftalatos y otros plastificantes, los medicamentos hipolipemiantes de la familia de los fibratos, herbicidas difeniléter, etc.) conocidas como proliferadoras de peroxisomas (PP), que son capaces de activar un receptor llamado de proliferación de peroxisomas (α -PPAR) y que, al menos en roedores, incrementan el número de estos orgánulos intracelulares, las peroxidaciones y el cáncer (véase más adelante y la Figura 6.23). Se piensa que la diferente respuesta interespecies a los PP pueda estar en los niveles de α-PPAR en sus tejidos; los humanos poseen en el hígado muchos menos de estos receptores que los roedores. Actualmente se investigan las interrelaciones de las citoquinas y las llamadas proteínas quinasas activadas por mitóg enos (MAP-quinasas o MAPK) con los citados receptores, y se buscan otras proteínas que puedan regular a éstos. * * * La investigación de los procesos de peroxidación de lípidos se efectúa por diversos métodos analíticos, algunos poco sensibles o específicos y otros más o menos complejos. El más difundido consiste en determinar cuantitativamente la liberación del malonildialdehído (MDA) originado, que forma un compuesto coloreado (base de Schiff) con el ácido tiobarbitúrico, pero frente a su sencillez de ejecución se oponen los errores por pérdidas y por interferencias debidas a reacción con aminas biológicas y otros componentes biológicos que no tienen relación con la peroxidación lipídica, de tal manera que ha sido considerado (Halliwell y Whiteman, 2004) como un método inaceptable en la investigación moderna. Realmente, al no existir en el momento actual un método totalmente convincente, se usan otros como: la determinación en el aire exhalado y en fluidos corporales, mediante espectrometría de masas, de isoprostanos, productos originados en la peroxidación de lípidos insaturados, como el ácido araquidónico y relacionados; también en el aliento es posible la determinación 06 toxicologia alim 24/11/08 13:45 Página 186 186 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL cromatográfica de etano y pentano liberados en la rotura de los ácidos grasos; menos extendido, por su laboriosidad y requerimientos técnicos, es la cuantificación de hidroperóxidos mediante cromatografla de gases y espectrometría de masas; la valoración del singlete de oxígeno por medición de la quimioluminiscencia es sencilla pero sujeta a interferencias. En síntesis, podemos distinguir cuatro fases en los mecanismos radicalarios: 1) formación de radicales libres; 2) estrés oxidativo; 3) formación de metabolitos electrófilos, y 4) alteración de la homeostasis del calcio y activaciones enzimáticas destructoras. Ya hemos visto que el denominado estrés oxidativo es una situación desencadenada por acumulación de especies de oxígeno parcialmente reducido o sus equivalentes como singlete o singulete de oxígeno, anión superóxido, peróxido de hidrógeno, hipoclorito, óxido nítrico, etc., que se generan en ciclos redox, en los que intervienen compuestos quinoides o cicloaromáticos. Por interacción del ion superóxido con el óxido nítrico se origina otro agente oxidante, el peroxinitrito. (Véase más adelante, y Figuras 6.8 y 6.11). Los procesos oxidativos también dan lugar a compuestos electrófilos, alquilantes o arilantes, cuya reactividad sobre los elementos nucleófilos celulares puede ser contrarrestada por agentes reductores, antioxidantes (vitaminas E y C, N-acetilcisteína), o quelantes del hierro (desferroxiamina); pero también puede ser incrementada por los inhibidores del sistema glutatiónreductasa/peroxidasa o por déficit de selenio. Un compuesto orgánico de éste (el ebselen) también protege a los compuestos nucleófilos de las especies oxidantes (Figura 6.8). Las especies reactivas de oxígeno (ROS) pueden oxidar a las proteínas celulares, en particular las cadenas laterales de los aminoácidos, con formación de cross-links proteína-proteína y fragmentación de proteínas; los aminoácidos cisteína Figura 6.8. Estrés oxidativo. 06 toxicologia alim 24/11/08 13:45 Página 187 MECANISMOS DE TOXICIDAD y metionina, con grupos sulfuro, son oxidados a disulfuro o sulfóxido. Una posible consecuencia de todo esto es la formación de grandes agregados de proteínas, que resultan tóxicos al acumularse en las células. La mayoría de las alteraciones en los aminoácidos son irreversibles; las proteasas los degradan en los lisosomas o en el proteosoma, a excepción de los sulfhidrilos oxidados, que pueden ser reducidos. 187 el ADN, principalmente con la desoxiguanosina, para formar aductos. El proceso tóxico que primeramente fue explicado como debido a reacciones radicalarias fue el del tetracloruro de carbono; posteriormente, se aplicó al paraquat, lo que significó una auténtica revolución en la Toxicología, y actualmente se acepta para otros muchos tóxicos. Toxicidad del tetracloruro de carbono Reacciones con el ADN Las ROS oxidan a los ácidos nucleicos, oxidación que es diferente en el ADN nuclear y en el mitocondrial. En el nuclear se oxidan preferentemente las bases; pero en el mitocondrial (mtADN), al disponer de menos histonas que hagan de protectores, y la proximidad a la generación de las ROS, en la propia mitocondria, el daño es mayor. Los metabolitos electrófilos de los agentes carcinógenos provocan mutaciones en el ADN, activan protooncogenes entimulantes de la proliferación celular e inactivan genes supresores de la proliferación, como p53 (véase Cap.7). En consecuencia las sustancias inductoras de apoptosis en distintos puntos del proceso pueden ser prometedores agentes anticancerosos (por ejemplo los inhibidores de las topoisomerasas). A pesar de su popularidad, si se considera cuantitativamente la unión covalente con el ADN es muy minoritaria (porque el ADN representa solo el 0,2% del peso), pero cualitativamente es de la mayor trascendencia al ocasionar mutación y cáncer. Las cuatro bases y el oxígeno del fosfato pueden reaccionar con los compuestos electrófilos; la guanina es la base más atacada. La situación y extensión de la reacción depende del tamaño y reactividad de las especies electrófilas y de factores electróstaticos y estéricos. La actividad catalítica de los metales Fe, Cu, Cr, Ni, etc. (con la excepción del berilio) en la formación de radicales hidroxilo favorece la lesión del ADN y aparición de cáncer. La producción de malonildialdehido (MDA), o de 4-hidroxinonenal (CH3-(CH2)4-CH(OH)-(CH2) 2 –CHO), que se simboliza como 4-HNE, a partir del etanol, no solo son biomarcadores, como se les ha considerado hasta ahora, sino que, como reactivos electrófilos, reaccionan con proteínas o Es un ejemplo típico de xenobiótico cuya toxicidad se incrementa al ser metabolizado: Presumiblemente el C14C se compleja con el citocromo P-450, y el complejo es deshalogenado y reducido por la cit-P-450 reductasa y NADPH (Fig. 6.9). Hoy se sabe que, en condiciones de baja presión parcial de oxígeno (pO2), el tetracloruro de carbono experimenta una biorreducción catalizada por CYP2E1 a radical triclorometilo ( ·CCl3), el cual abstrae un átomo de hidrógeno a un ácido graso de la membrana celular, iniciando una reacción en cadena de lipoperoxidación. Pero cuando la presión de oxígeno es alta, se forma radical triclorometil peroxilo ( ·OO-CCl3) que, en una reacción tipo suicida, inactiva al CYO2E1, terminando el efecto. El radical libre formado (tricloruro de metilo o de carbonio) no sólo lesiona el hígado, como se eCl4C O2 Cl3C• MFO, CYP radical triclorometilo Cl3COO• radical triclorometilperoxilo Peroxidación lipídica Uniones covalentes a moleculas biológicas Activación de enzimas calcio-dependientes i e Muerte y celular e t Figura 6.9. Toxificación del tetracloruro de carbono; idéntico proceso siguen otros haluros de carbono, como bromometano, bromoetano, cloro-bromo-trifluoroetano (halotano), etc. 06 toxicologia alim 24/11/08 13:45 Página 188 188 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Diana Hepatocito Neumocito Células endoteliales vasculares Células bronquiolares Tóxico C14C Paraquat Alcaloides de pirrolizidina Compuestos furánicos (4-ipomeanol, etc.) C14C, bromobenceno Los procesos tóxicos por mecanismos radicalarios requieren un tiempo para su desarrollo y la aparición de efectos; en algunos casos como con el tetracloruro de carbono el plazo es corto, pero en otros como con el paraquat se precisan hasta dos semanas. En las reacciones hepatotóxicas por tetracloruro de carbono se distinguen dos fases: en la fase temprana o precoz, antes de la primera hora tras la exposición, tiene lugar la aparición de los metabolitos reactivos (tricloruro de metilo, C13C• y tricloroperoximetilo C13CO•), seguido de la peroxidación de lípidos y las uniones covalentes a los receptores nucleófilos. Después de la sexta hora se aprecian los fenómenos consecuentes a acumulación intracelular de calcio, a causa de los mecanismos que se verán a continuación. (Figura 6.15). Conforme se expuso en el Capítulo 4, el glutatión es un importante reactivo que, en el medio biológico desempeña dos funciones protectoras de gran importancia: por un lado defiende a las estructuras biológicas de procesos oxidativos, por su capacidad reguladora de la oxidación-reducción, y por otro, al ser un compuesto nucleófilo, reacciona con las moléculas electrófilas, evitando el ataque de éstas sobre las biomoléculas. Así, y de todo lo visto, podemos resumir con Comporti (1989), que hay tres clases de compuestos reactivos según su comportamiento con el glutatión (GSH) en el mecanismo tóxico: peroxidación lipídica. Como ejemplos tenemos el tetracloruro de carbono (CC1 4 ), bromoformo (CHBr 3 ), iodoformo (CHI 3 , cloruro de vinilo (CH 2 = CH - Cl 3 ), halotano o fluotano (CF 3 CHBrCl), etc. b) Compuestos electrófilos, más alquilantes que oxidantes, y que consumen GSH, el cual actúa como protector celular. Se originan a partir del p-acetamol, alcohol alílico, acrilamida, acrilonitrilo, cloroformo, bromobenceno, cloruro de bencilo, hexaclorociclohexano, diclorvos, nitrobutano, quinonas, etc. c) Metabolitos no alquilantes, que producen especies de oxígeno activo, a través de ciclos redox, e inducen fundamentalmente peroxidación lipídica, en cuya iniciación puede participar el hierro, pues se interrumpe por el quelante desferroxiamina, por lo que se dice originan «necrosis hierro-dependientes». Son tóxicos típicos de este mecanismo, paraquat, diquat, adriamicina, bleomicina, hidrazina y derivados, nitrofurantoína, etc. En la activación de menadiona (2-metil-1,4-naftoquinona) interviene la DT-diaforasa. Otro ejemplo de interés es la formación de radicales libres a partir del alcohol etílico (Figura 6.10). CH3 – CH2OH CYP-450 II E1 OXIDASAS i e H e CH - C y OH e 1- hidroxietilo e 4-HNE t O2–• H2O2 • 3 i t sabe de antiguo, sino también otros tejidos, como el pulmón. Parece que los tejidos más afectados por diferentes productores de radicales libres son: Peroxidación Lipídica Aductos 8-(1-hidroxietil) guanina 8-(2-hidroxietil) guanina En: • Membranas • Retículo endoplasmático • Núcleo De: • Hígado • Mucosa gástrica • Corazón • Cerebro • Testículos +factor quimiotáctico • Leucocitos PMN a) Agentes alquilantes que no producen depleción de GSH, aunque actúan tanto por establecimiento de uniones covalentes como mediante Figura 6.10. Radicales libres de etanol y sus acciones. 06 toxicologia alim 24/11/08 13:45 Página 189 MECANISMOS DE TOXICIDAD 2.2. Reactivos de óxido nítrico Los macrófagos y otras células producen unas moléculas oxidantes que poseen efectos citotóxicos sobre células tumorales, células huéspedes, hongos, protozoos, etc., son los reactivos derivados del nitrógeno. Moncada et al. (1989) descubrieron que en las células del endotelio se libera óxido nítrico (NO), que actúa como factor de relajación del músculo liso (parece que los nitrovasodilatadores liberan NO), como estimulante de las acciones citotóxicas de los macrófagos, como intermediario de la neurotoxicidad del glutamato, y que inhibe la agregación de las plaquetas y la coagulación sanguínea, etc. El óxido nítrico (NO) intracelular se forma a partir de donadores, como los nitratos orgánicos, nitroglicerina, etc., por mecanismos redox o por acción de la enzima óxido nítrico síntetasa (NOS) que convierte la arginina en citrulina y NO. La enzima NOS tiene que ser activada por la calmodulina, activada a su vez por iones de calcio, aunque hay otra forma de NOS que no es calcio-dependiente sino inducible por un proceso inmunitario (inducción trascripcional). La entrada de calcio en las neuronas se produce cuando se abren los canales de membrana para el calcio, al actuar el glutamato (neurotransmisor excitador) sobre los receptores de N-metil-D-aspartato (NMDA); el NO estimula la formación de guanosina monofosfato cíclico (GMP-c), que como segundo mensajero es relajante muscular. 189 Aparte del cerebro, la NOS se encuentra en las células endoteliales de los vasos sanguíneos, y se distinguen tres isoformas de NOS, además de su origen neuronal y endotelial. Véase más información en Alteración de la respiración celular y Patologías tóxicas del pulmón. El tiempo de vida del óxido nítrico oscila entre 6-10 segundos; reacciona con el oxígeno y el agua y se transforma en nitrito y nitrato; de acuerdo con Lipton et al. (1993), el óxido nítrico o monóxido de nitrógeno (NO) puede originar una forma reducida, radical óxido nítrico (NO•) y una forma oxidada, el radical nitrosonio (NO + ). Además la molécula NO+ puede recibir un segundo electrón procedente de la dismutación del anión superóxido (O2•– ) por la enzima superóxido dismutasa (SOD), con lo que se transforma en el radical peroxinitrito (ONOO–), que parece ser el verdadero agente citotóxico y peroxidante lipídico. El peroxinitrito puede descomponerse en el radical dióxido de nitrógeno (NO 2 • ) y el ion nitronio (NO2+), igualmente citotóxicos (Figura 6.11.) Pero también el NO posee cualidades citoprotectoras, al regular y disminuir la actividad del receptor NMDA neuronal, por nitrosilar los grupos tioles del receptor, aunque esta intervención depende de las condiciones redox del medio. Las sustancias inhibidoras (como nitroarginina, monóxido de carbono, etc.) de la enzima óxido nítrico sintetasa (NOS) impiden la formación del NO y sus acciones tanto beneficiosas (fisiológicas) como tóxicas. Figura 6.11. Reacciones por óxido nítrico. 06 toxicologia alim 24/11/08 13:45 Página 190 190 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL En resumen, los mecanismos tóxicos inducidos por el NO, y generados por compuestos tan diversos como la metaanfetamina o el etanol, consisten en peroxidaciones de lípidos y tioles (glutatión, etc.), inactivación de enzimas, alteración del transporte de electrones, etc., conducentes a la muerte celular, mientras que en el endotelio tiene una acción protectora, al producir vasodilatación e inhibición de la agregación plaquetaria. Actualmente se trata de obtener fármacos inhibidores selectivos del NOS neuronal, que respeten la isoforma endotelial. 2.3. Compuestos reactivos de azufre Durante los proceso de biotransformación de compuestos con azufre, pueden generarse moléculas reactivas, unas oxidadas y otras reducidas. 2.3.1. Por oxidación de tioalcoholes o mercaptanos, de fórmula general R-SH, se forman compuestos como: R-S-OH R-S-O2H R-S-O3H R=C=S=O (R)2-SO (R)2-SO2 (ácidos sulfénicos) (ácidos sulfínicos) (ácidos sulfónicos) (sulfenos) (sulfóxidos) (sulfonas) todos ellos muy oxidantes frente a las biomoléculas. 2.3.2. Liberación de tioles (-SH) a partir de glutatión, por transtiolación Aunque poco investigado, se sabe desde hace tiempo (Stockman, 1916; Mickinney et al., 1957; Schultze et al., 1959; Buckberry et al., 1993) que por un procedimiento calificado de anormal o aberrante, se hidrolizan conjugados con glutatión que, por transtiolación, libera productos con grupos tioles (SH) muy reactivos que producen daño tisular en riñón, hígado, hematíes, pulmón, etc. Tras exposición a hidrocarburos halogenados, cloruro, bromuro o ioduro de metilo, etilo, etc., o, por ejemplo, por ingestión de semillas de soja desengrasadas con tricloroetileno, se forman conjugados de sus metabolitos con el glutatión, mediante unión del S de la cisteína al lugar que ocupaba un átomo de halógeno; posteriormente el conjugado pierde sus grupos de glutámico y glicina, por acción de la glutamil y la gliciltransferasas, quedando en forma de cisteinil-conjugado. La vía normal de eliminación de éste es por acetilación (formación de mercaptúricos), pero también puede servir de sustrato a la enzima β-liasa, presente en mitocondrias y citosol de la mayoría de los tejidos, pero fundamentalmente en el riñón. Esta enzima, dependiente del piridoxal, rompe el enlace S-C del S con el resto de cisteína, liberando un grupo tiol en el resto de la molécula halogenada. Este -SH es muy electrófilo y se une al ADN y a otros nueleófilos tisulares; como esta liberación es más intensa en el riñón, los xenobióticos citados resultan muy nefrotóxicos (Figura 6.12). Figura 6.12. Tioles reactivos. Por transtiolación. 06 toxicologia alim 24/11/08 13:45 Página 191 MECANISMOS DE TOXICIDAD 3. Alteración de la homeostasis del calcio Actualmente se considera que la alteración de las proteínas que regulan el calcio intracelular es el eslabón entre los mecanismos alquilantes o los oxidantes con la muerte celular. Se acepta que la concentración de calcio en el citosol regula diversas funciones celulares; a su vez esta concentración, que es extraordinariamente más baja que la del plasma, es regulada por tres mecanismos: a) entrada y salida de iones calcio (Ca++) en la célula a través de la membrana plasmática, con intervención de la bomba de calcio; b) captación de Ca+ por el retículo endoplásmico, y c) captación por las mitocondrias. Consecuentemente, la peroxidación de lípidos de la membrana o la lesión de las bombas de Ca++ en membrana, mitocondria o retículo, puede elevar considerablemente los niveles de Ca++ intracelulares, por mayor entrada a la célula o por salida al citosol desde las vesículas del retículo endoplásmico, o bien por insuficiencia de la bomba de Ca++ a causa de déficit de ATP por lesión mitocondrial. Figura 6.13. Alteración homeostasis del calcio. 191 En esta situación, el Ca++ citosólico activa a distintas enzimas proteasas y fosfolipasas que participan directamente en la muerte celular (Figura 6.13). Entre las proteasas activables por el calcio destacaremos la endonucleasa, que fragmenta al ADN, lo que conduce a la muerte celular, y las caspasas cuya activación produce daños en el citoesqueleto, por disociación de los microfilamentos de actina. También se estimula la calmodulina, proteína presente en células animales y vegetales, que cuando se une a cuatro iones de calcio por cada molécula, modifica su conformación y activa, a su vez, a otra enzima, la proteinquinasa, que fosforila a la fosforilasa, que participa en la degradación del glucógeno; la calmodulina también afecta al citoesqueleto (microtúbulos) y a la división celular. (Fig. 6.14). Por otra parte, entre las fosfolipasas activables por Ca++ está la fosfolipasa A2 (PLA2) que acelera la hidrólisis de los fosfolípidos de membrana, con liberación de ácidos grasos y lisofosfolípidos, que a su vez son citotóxicos. 06 toxicologia alim 24/11/08 13:46 Página 192 192 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Enzima inactiva Calmodulina Enzima activada Ca2+ Figura 6.14. Activación de calmodulina y una enzima. A través de estas acciones, aparecen vesículas en la membrana que, o se separan de ella o se rompen o se fusionan entre sí, lo que conduce a la ruptura de aquélla; a su vez, la disminución del potencial de mebrana mitocondrial se traduce en un déficit de ATP, lo que da lugar a acumulación de ácido láctico, y descenso del pH citosólico. Con todo ello se llega a disrupción de la membrana plasmática y del citoesqueleto, con disolución de la actina y dispersión de los microtúbulos, más una disminución del pH intracelular, por acumulación de ácido láctico consecuente a la lesión mitocontrial, desasople de la fosforilación oxidativa y déficit de ATP (Fig. 6.15). Aunque, como se ha dicho anteriormente, muchos tóxicos pueden producir necrosis o apoptosis, según la concentración en que se hallen, se discute actualmente cuáles son los tóxicos que producen directamente la muerte de la célula (necrosis) y los que actúan acelerando el proceso natural, genéticamente programado de muerte celular (apoptosis). Como agentes activadores de la endonucleasa se reconocen a glucocorticoides, 2, 3, 7, 8-tetraclorodibenzo-p-dioxina (TCDD), tributilestaño (pero no trimetil ni trifenilestaño), y se admite que todos ellos son inductores de apoptosis; también se acepta que los activadores de endonucleasa intervienen en la muerte de los macrófagos expuestos a estrés oxidativo. Como agentes necrosantes, o productores de metabolitos que lo sean, se reconocen a tetracloruro de carbono, cistamina, quinonas, t-butilhidroperóxido, etc. Además de actuar por mecanismos peroxidativos, estos agentes consumen glutatión (GSH), disminuyen ATP y favorecen la elevación de calcio libre (Ca++) en el citosol, con sus efectos activadores consiguientes. Se consideran sustancias disruptoras del esqueleto celular a la faloidina (amanitotoxina), citocalasinas, cistamina, paraquat, diquat, etc. En resumen, los mecanismos de toxicidad generalmente incluyen más de un acontecimiento bioquímico o molecular; suelen consistir en secuencias de pasos o cascadas de reacciones, con complejos mecanismos de retroalimentación que constituyen una entramada red de reacciones moleculares, de las que en nuestros días se trata de llegar a conocer los genes implicados. La necrosis, la oncosis y la apoptosis son el «punto final» o «punto sin retorno» de la lesión celular, al que se llega por múltiples mecanismos, que incluye producción de metabolitos reactivos, estrés oxidativo, enlaces covalentes, activación de señales desde los receptores, lesión mitocondrial, etc. La necrosis es «muerte pasiva accidental» caracterizada por inflamación de los orgánulos, picnosis del núcleo con fragmentación, condensa- 06 toxicologia alim 24/11/08 13:46 Página 193 MECANISMOS DE TOXICIDAD 193 Figura 6.15. Interacción del tóxico con la homeostasis del calcio y los constituyentes celulares. ción y lisis, formación de vesículas en la membrana y rotura total. Sus mecanismos son: estrés oxidativo, lesión mitocondrial, depleción de ATP, activación de proteasas dependientes de Ca2+, de fosfolipasas y de endonucleasas. La insuficiencia de ATP inactiva las bombas de iones de la membrana plasmática y del retículo endoplásmico, lo que causa rápida alteración de la homeostasis de Na+, K+, Mg2+ y Ca2+. Tiene dos fases: la de iniciación, en que el tóxico reacciona con algún componente celular, y la de progresión, en que el daño se propaga por el tejido circundante, lo que puede llevar horas o días. La fase de progresión se debe a la liberación de enzimas proteolíticas y lipolíticas al espacio extracelular; entre estas enzimas, las calpaínas son activadas por proteasas y entonces atacan al citoesqueleto. Estas enzimas reciben el nombre de «proteínas de muerte». La apoptosis supone un proceso altamente organizado que incluye la activación de genes. Comienza por la activación de unas proteasas específicas, las caspasas (cisteína aspartato proteínas específicas), aunque en algunos mecanismos no intervienen las caspasas. Estas son de dos clases: una es de activadoras de las segundas, que son las ejecutoras, activan a endonucleasas que fragmentan al ADN. La iniciación es realizada por numerosos xenobióticos, entre ellos diversos metales, incluyendo compuestos como dimetil y trimetilarsina, capaces de generar ROS. En la apoptosis se describen los siguientes pasos: 1º. Ciertos receptores de membrana, de las superfamilias TNF (factor de necrosis tumoral), DR, etc., que poseen un dominio extracelular rico en cisteína, reciben una señal, la cual experimenta 06 toxicologia alim 24/11/08 13:46 Página 194 194 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL una transducción. También participan otras proteínas extracelulares, como la APO o Fas, que por agregación y trimerización desencadenan la cascada de caspasas. 2º. Las mitocondrias liberan factores de activación. 3º. Las caspasas inician, propagan y ejecutan la apoptosis. 4º. El proceso puede ser controlado por otros factores como las proteínas Bcl-2 Por su parte, el calcio es un metal que no interviene en los procesos redox y no participa en el estrés oxidativo, aunque este altera de forma muy importante la homeostasis del metal, lo que conlleva graves consecuencias para la célula, porque el Ca++ activa numerosas enzimas y proteínas y actúa como segundo mensajero. La concentración de iones Ca++ en el citosol y en las mitocondrias es regulado por la bomba de calcio y por las vesículas del retículo endoplásmico; cuando algún tóxico, como el teracloruro de carbono o el tributil estaño (u otros alquilestaño con cadena más larga), lesiona a estos elementos, generalmente por unión a sus grupos tioles, la concentración citosólica se incrementa y se inicia una cascada de activaciones de proteasas, endonucleasas y lipasas con deterioro de la célula. Unas de las proteasas más interesantes son las calpaínas (proteínas de cisteína dependientes de calcio), que se implican en la destrucción del citoesqueleto. Son enzimas proteolíticas no lisosómicas que, en presencia de calcio, se transforman en heterodímeros activos. Contribuyen a la apoptosis al colaborar con las caspasas en el proceso proteolítico. La activación de endonucleasas calciodependientes conduce a la rotura del ADN y la muerte celular, y en la mitocondria, el exceso de calcio depleciona la NAD+ y el ATP y colapsa el potencial de membrana mitocondrial, que lleva a la muerte de la célula. Defensa celular contra el estrés Ante la acción de agentes que induzcan estrés (temperatura, radiaciones, sustancias reactivas, etc.) la célula trata de activar unos mecanismos defensivos o de respuesta al estrés mediante la síntesis de determinadas proteínas. De ellas, las más conocidas son las proteínas del shock térmico (hsps), llamadas también chaperonas moleculares, que se clasifican conforme a su masa molecular; son las encargadas del plegamiento de las proteínas y del transporte de los nuevos polipéptidos. Las hsps60 Da realizan la proteolisis de proteínas anormales y pueden ejercer una acción defensiva de tipo inmunitario. Sin embargo, algunos xenobióticos o sus metabolitos pueden inactivar las proteínas del estrés y anular sus propuestas defensivas. MECANISMOS INMUNITARIOS Desde hace años se está desarrollando vigorosamente la llamada inmunotoxicología, rama científica que estudia varios tipos de procesos patológicos producidos por las sustancias tóxicas, con un enfoque propio de la Inmunología. El sistema inmunitario, a diferencia de otros sistemas orgánicos del cuerpo, no está confinado en uno o varios órganos, sino que está distribuido a lo largo del cuerpo en multitud de órganos linfáticos; hay órganos linfáticos primarios, como la médula ósea y el timo, y órganos linfáticos secundarios, como los nódulos o ganglios linfáticos y el bazo o el hígado; además hay células inmunitarias circulando por todo el cuerpo o fijas en todos los tejidos; estas células son linfocitos y “células dendríticas”. Las células dendríticas reciben su nombre por poseer unas protuberancias en forma de dedos, y son las células más eficientes en presentar antígenos; circulan en la sangre y son atraídas hacia tejidos periféricos por las citoquinas. Desde el punto de vista filogenético o evolutivo, puede distinguirse un sistema inmunitario primitivo o innato, que funciona solo en los invertebrados, y que consiste en células que realizan funciones de fagocitosis, liberación de sustancias proinflamatorias y mediadores de señales. Estas células son leucocitos, macrófagos, asesinas naturales (NK), y linfocitos T, que no reaccionan estrictamente ante antígenos específicos, sino ante un amplio rango de estímulos. Por el contrario, el sistema inmunitario más evolucionado, de animales superiores, responde de forma específica para determinados antígenos con infinitas respuestas específicas, y es capaz de 06 toxicologia alim 24/11/08 13:46 Página 195 MECANISMOS DE TOXICIDAD distinguir entre lo propio y lo extraño, al diferenciar unas proteínas, el complejo mayor de histocompatibilidad (MHC) presente en la superficie de las células y que es diferente, por causa genética, en cada individuo. El sistema inmunitario realiza una misión defensiva del individuo mediante la identificación de estructuras propias y detección de las extrañas, contra las que reacciona. Esta defensa tiene dos modalidades, una natural, innata, de carácter inespecífico, y otra adquirida, específica al agente que la provoca, cuyos estímulos sucesivos incrementan la respuesta. Los xenobióticos son capaces de modular la función del sistema inmunitario de tres formas diferentes: a) pueden bloquearlo, en lo que denominamos inmunodepresión e inmunosupresión, b) pueden estimularlo, provocando la hipersensibilidad o alergia, y c) pueden distorsionarlo originando la autoinmunidad o reacciones contra el propio cuerpo. Como hemos dicho, el sistema inmunitario está integrado por varios órganos y por unas células periféricas. Estas son leucocitos diferenciados (linfocitos, macrófagos, micrófagos, etc., (véase clasificación de los leucocitos en la Figura 7.11). La médula ósea es el órgano de producción de los linfocitos a partir de las células pluripotentes, y en ella se produce la maduración de los linfocitos B; los linfocitos T maduran y se diferencian en el timo. El bazo y los ganglios linfáticos (incluidos los presentes en intestino, pulmón y piel) son órganos secundarios de diferenciación (Figura 6.16). Macrófagos y micrófagos son fagocitos; los primeros suelen estar unidos a los tejidos corporales, mientras los segundos (granulocitos neutrófilos) circulan en la sangre. Las células periféricas se difunden a todos los tejidos a través del flujo sanguíneo y regresan por un sistema vascular propio, el sistema linfático, que finalmente vierte su contenido a la sangre en las venas subclavias a través del conducto torácico. Los linfocitos no son todos iguales, no forman una población homogénea, sino varias subpoblaciones constituidas por células que, gracias a dife- 195 rentes receptores de superficie, poseen distinta reactividad y funciones. Pueden distinguirse usando citometría de flujo y anticuerpos monoclonales. Estas clases son: los linfocitos B, inmaduros, recién formados en la médula ósea; los linfocitos T, madurados o diferenciados en el timo, que a su vez son T helper o ayudantes, encargados de coordinar la respuesta defensiva, y los T killer o asesinos, ejecutores, liberadores de sustancias activas o mediadores. Además, los linfocitos polimorfonucleares (PMN), tienen por misión principal la de fagocitar a microorganismos invasores; cuando son dañados o activados por xenobióticos, liberan citoquinas, enzimas proteolíticas y ROS, que pueden producir lesiones en el huésped (véase Cap. 7, Hígado); además son capaces de metabolizar xenobióticos merced a sus enzimas mieloperoxidasas. Es decir, los linfocitos que circulan derivan de células precursoras existentes en la médula ósea, y se dividen en dos clases: los linfocitos T, que pasan por el timo en su trayecto a los tejidos, y los linfocitos B, que no lo hacen. Aunque no se distinguen por su forma, sólo las células B y su progenie segregan anticuerpos, mientras que las T, si bien poseen anticuerpos, no los liberan, sino mediadores, y tienen además la misión de estimular o reprimir la actuación de las B. Hoy se sabe que, tanto la eliminación en el timo de los linfocitos inmaduros, como de los linfocitos circulantes con receptores anómalos, como la actuación de los linfocitos asesinos (que mediante perforinas abren poros en las células que atacan) tienen lugar mediante procesos de apoptosis, tras activación de caspasas, algunas de las cuales intervienen como enzimas convertidoras (activadoras) de interleuquinas o interleucinas (ICE) (véase más adelante). Tan sólo un 2 por 100 de los linfocitos segregan anticuerpos; son linfocitos pequeños, cuya membrana externa presenta moléculas de anticuerpos, receptores dispuestos a ajustarse con un antígeno; los antígenos para los receptores de los linfocitos B son moléculas complejas, normalmente glucoproteínas, mientras que los linfocitos T pueden reconocer péptidos pequeños, con 9-11 aminoácidos. Cuando se produce esta unión, el linfocito puede resultar estimulado o paralizado; si se estimula, empieza a producir más anticuerpos idénticos al que se unió al antígeno, y además crece y se divide y subdivide, dando lugar a una prole o línea 06 toxicologia alim 24/11/08 13:46 Página 196 196 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Figura 6.16. Diferenciación y función de los linfocitos. de células genéticamente idénticas que recibe el nombre de clon. Estas células hijas, dedicadas a producir el mismo tipo de anticuerpos, reciben el nombre de células plasmáticas o plasmocitos. Algunas de estas células vuelven al estado de reposo y representan la «memoria» del suceso, permaneciendo dispuestas a reiniciarlo a la nueva llegada del mismo antígeno. En los tejidos, a partir de los linfocitos T, se diferencian las celulas cebadas o mastocitos. Hay también otras poblaciones de células linfoides, derivadas de los mismos precursores medula- 06 toxicologia alim 24/11/08 13:46 Página 197 MECANISMOS DE TOXICIDAD res, entre las que destacamos las conocidas como K y como NK; las células K (del inglés killer, asesinas o agresivas) son linfocitos grandes, granulosos que cuando se les unen IgG específicas presentes en la superficie de otras células, provocan la lisis de éstas. Las células NK (agresoras-naturales) son linfocitos no dependientes de anticuerpos, que realizan una defensa inespecífica contra células infectadas por virus, contra células neoplásicas, o con el ADN alterado. Los linfocitos NK intervienen también en la inmunidad innata, y se les considera un eslabón entre los sistemas inflamatorio e inmunitario. Los linfocitos T activados secretan también citocinas (interleucinas), polipétidos que transportan señales entre células y que, a su vez, estimulan la reproducción clonal de los linfocitos T y el aumento de eosinófilos, y están presentes en las enfermedades autoinmunitarias. Igualmente son citocinas el factor de necrosis (NF) y el factor de necrosis tumoral (TNF) que favorece la destrucción de las células cancerosas; ambos participan en la apoptosis desencadenada por tóxicos.El receptor del factor de necrosis tumoral (TNF-R) es activado por las α-TNF y β-TNF y juega múltiples papeles en inmunidad, inflamación y regeneración tisular. Debe recordarse que las relaciones entre las células se producen por dos vías: contacto célulacélula, o liberación de mediadores que reciben el nombre de hormonas y, en inmunología, citocinas o citoquinas. Estas son pequeñas moléculas de polipéptidos que intercambian información dentro de la misma célula, a otra célula próxima o a células situadas a cierta distancia, y sus funciones son quimiotáxicas y reguladoras; se sintetizan no sólo dentro del sistema inmunitario, sino también en otros tejidos. Las citoquinas producidas por los linfocitos se denominan linfoquinas. Hay tres clases principales de citoquinas: a. Factores de crecimiento. Se producen en la médula ósea, células endoteliales, fibroblastos y linfocitos B y T. b. Mediadores en la inflamación: – Interferón Tipo I (IFN-α, IFN-β), generados por linfocitos y fibroblastos. – Factor de necrosis tumoral (TNF- α), liberado por macrófagos estimulados por bacte- 197 rias. Su sobreproducción puede conducir a shock y muerte. – Interleuquina-1 (IL-1 α, IL-1 β); son pirógenos. – Interleuquina-6. c. Citoquinas inmunomoduladoras. Son también interleuquinas IL, de las que se conocen más de 18. Actúan como factores de activación, maduración y diferenciación de los linfocitos Ante concentraciones muy altas de determinantes antigénicos, o la persistente llegada de muy pequeñas concentraciones, por debajo del umbral de estimulación, se puede inducir tolerancia inmunitaria o bien producir parálisis de la actividad linfocitaria, con disminución de la capacidad de respuesta inmunitaria; esto también ocurre con los tóxicos que atenten a la vida y multiplicación del linfocito. La llegada de un antígeno a un individuo con anticuerpos contra éste puede producirle dos tipos de reacciones, una de tipo inmediato, que aparece y desaparece pronto, de carácter alérgico y no-alérgico, y otra llamada retardada, que se presenta horas después del contacto y persiste durante varios días. Si se inyecta suero de un animal alérgico (que reacciona patológicamente a determinados antígenos) a otro, éste queda sensibilizado temporalmente y responde a pruebas cutáneas con reacciones de tipo inmediato, pero no de tipo retardado. Sin embargo, puede transferirse hipersensibilidad retardada por medio de células linfáticas, leucocitos o células reticuloendoteliales, que nunca transfieren la sensibilidad inmediata. En términos de inmunotoxicología podemos distinguir diferentes formas de actuar de los xenobióticos: 1. El xenobiótico tiene como órgano diana el sistema inmunitario (sean sus órganos o sus células periféricas), con lo que su función normal puede resultar aumentada o disminuida. En el primer caso la inmunoestimulación puede deberse a una proliferación de células, con o sin estimulación en la síntesis de anticuerpos. En el segundo caso la inmunodepresión e incluso inmunosupresión pueden deberse a que el tóxico elimine poblaciones de células o impida su maduración o inhiba directamente a los anticuerpos. La exposición crónica o subcrónica a las sustancias químicas, a dosis incluso inferiores a las consideradas tóxicas, puede afectar a los diferentes cons- 06 toxicologia alim 24/11/08 13:46 Página 198 198 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL tituyentes del sistema inmunitario. Así, pueden observarse alteraciones en el peso, celularidad e histología estructural de los órganos linfoides, cambios en el número de los linfocitos circulantes y en las proporciones de inmunoglobulinas, todo lo cual puede reflejarse en reacciones anormales a dichas sustancias o a otras relacionadas con ellas (reacciones cruzadas) o bien como un aumento de la susceptibilidad frente a las infecciones oportunistas. Las células inmunocompetentes requieren una continua renovación, pero son muy sensibles a los agentes tóxicos para la proliferación celular, por lo que la incidencia de aquellos conduce fácilmente a la inmunodepresión. Existe abundante bibliografía actual sobre la capacidad inmunodepresora de derivados orgánicos o sales inorgánicas de Pb, Cd y Hg, cuya administración a animales en proporciones no tóxicas disminuye sus defensas a las infecciones cuando posteriormente se les inoculan virus y bacterias. Efectos similares producen la p-dioxina, los policlorobifenilos, el DDT, dieldrin, metilparatión, carbaril, etc.; así, las tetraclodibenzo-p-dioxinas (TCDD) y otros compuestos pueden suprimir la maduración y el desarrollo de las células inmunitarias y causar inmunosupresión. No solo inhiben la diferenciación de las células T en el timo, e incluso causan la atrofia de este órgano, sino que también desencadenan autoinmunidad.(Véase Tabla 6.5). Se ha observado que la exposición al Pb2+, desacelera la síntesis de anticuerpos, al parecer por afectación de las células de memoria. Tabla 6.5. Agente Agentes alquilantes Cefalosporinas Dioxinas Glucocorticoides Luz ultravioleta Organoestánnicos Talidomida Aunque no se ha logrado evidencia directa, se supone que los efectos inmunosupresores de los cationes Pb2+, Cd2 y MeHg+ se deben a su capacidad para formar ligandos con las proteínas antigénicas. La hidrosolubilidad de las sales metálicas permite su reacción con las proteínas séricas para formar antígenos y modificar la inmunidad humoral, en tanto que la liposolubilidad de los compuestos orgánicos permite su transporte a través de las membranas y su acumulación en timo y linfocitos, y afectación de su función, con modificación de la CMI (inmunidad mediada por células). Parece que algunos disolventes orgánicos halogenados actúan de esta manera. Sustancias como la 6-mercaptopurina, y sus derivados como la azatioprina, juegan un papel de antimetabolitos al sustituir a las bases púricas en el ADN, interrumpiendo la división celular, por lo que son utilizados en el tratamiento del cáncer; por el mismo mecanismo inhiben la síntesis de anticuerpos y producen inmunodepresión. En general, puede decirse que la capacidad inmunosupresora de los xenobióticos es la cualidad inmunotóxica más facilmente detectable (Descotes, 1992). Se ha descrito un fenómeno de gran interés denominado tolerancia or al, que supone que sustancias inmunógenas administradas por vía oral, en lugar de originar una respuesta inmunitaria dan lugar a tolerancia, al parecer por participación de células supresoras de aquella (Boelsterli, 2007). Ejemplos de agentes inmunodepresores. Acción Interferencia síntesis ADN y ARN Inhibición de linfocitos T, por bloqueo señal de transducción de linfocitos T-helper Disminución de linfocitos T y B Nuevo efecto tras vacunación antitetánica Interferencia en la transcripción Lesión ADN Inhibición proliferación de timocitos por di, tri y octilbutil estaño; pero mono y tetrabutil estaño no lo hacen Inhibición de la expresión moléculas de adhesión en superficie de hematíes. Inhibe angiogénesis 06 toxicologia alim 24/11/08 13:46 Página 199 MECANISMOS DE TOXICIDAD 2. El xenobiótico actúa como antígeno o como hapteno, desencadenando lo que se conoce como alergia. En ella se distinguen tres fases: 1.ª de reconocimiento del xenobiótico, 2.ª de respuesta de efectores, y 3.ª de reacción antígeno-anticuerpo y producción de efectos. Se admite que actualmente es alérgico el 20 por 100 de la población. En ocasiones el xenobiótico puede actuar directamente como antígeno o, en otros casos, como hapteno. Los haptenos son sustancias de bajo peso molecular que forman enlaces covalentes con proteínas transportadoras u otras macromoléculas; la molécula resultante es considerada por el organismo como extraña, y actúa como antígeno al inducir la formación de anticuerpos. Como ejemplos de haptenos pueden citarse varios metales (níquel, cobalto, cromo), aldehídos, quinonas, acrilatos (resinas), fenoles, pirocatecoles, cumarinas, alquitranes, etc. Los metales, que son causantes de muchas alergias, oxidan a proteínas para formar con ellas unos quelatos, con múltiples puntos de unión; así el níquel se une a tres restos de histidina y a uno de cisteína. Muchos haptenos se absorben como protohaptenos, que han de ser activados por efecto metabólico o de la luz. Se admite (Amos, 1993) que prácticamente todas las sustancias químicas son capaces de estimular la producción de anticuerpos, aunque las sustancias de bajo peso molecular no actúan propiamente como antígenos, sino como haptenos, que han de unirse de forma covalente a una macromolécula portadora. La potencialidad de los compuestos de bajo peso molecular. es directamente proporcional a su reactividad con grupos nucleófilos de proteínas u otras macromoléculas. Dos compuestos alergénicos de gran incidencia en nuestros días son el látex y la insulina, aunque para ambos se dispone de sustancias desensibilizadoras («vacunas») muy efectivas. Hay compuestos capacitados intrínsecamente para originar estas unidades inmunogénicas, pero la mayoría ha de adquirir reactividad por degradación, biotransformación o polimerización. La penicilina y otros antibióticos betalactámicos no son antigénicos ellos mismos, sino sus productos derivados, como el obtenido por anhidrización, el ácido penicilénico, que reacciona rápidamente con restos de lisina de las proteínas, formando el peniciloil-conjugado, fuertemente 199 inmunógeno, aunque parece que a través del anillo betalactámico puede reaccionar directamente con proteínas. Se ha comprobado que el halotano (hidrocarburo fluorado usado como anestésico por vía inhalatoria), se biotransforma a metabolitos, radicales libres, hepatotóxicos y antigénicos; el betabloqueante cardioselectivo practolol, que en algunos pacientes produce manchas en los ojos y la piel (síndrome oculomucocutáneo), ha originado in vitro, por oxidación microsómica, un producto que en animales induce la formación de anticuerpos. En otras biotransformaciones inmunogénicas tiene que participar otro compuesto exógeno, como ocurre con el antimicrobiano tópico clorhexidina, que necesita reaccionar con cloro (procedente del agua clorada) para formar una cloramida capaz de provocar síntesis de IgE en modelos animales. Existen otras hipótesis, como la basada en un daño celular previo o la llamada de interacción farmacéutica y otra que combina varias de ellas (Uetrecht, 2005). Generalmente, el antígeno es procesado por los macrófagos antes de sensibilizar a los linfocitos T, que, una vez activados inducen a los B a transformarse en células plasmáticas, encargadas de producir los anticuerpos. Otros linfocitos T intervienen para frenar la excesiva estimulación de los B. Los linfocitos conocidos como facilitadores o colaboradores (helper, Th) modulan las funciones de los linfocitos B y de los macrófagos; se diferencian en tres subpoblaciones: Th 0, Th 1 y Th 2. – los Th1, que inducen a los B a producir IgG, secretan interferón IFN-γ y el factor de necrosis tumoral TNF-β que activan a los macrófagos y actúan en las reacciones de hipersensibilidad retardada. – los Th2 liberan interleuquinas IL-4, IL-5, IL10 y IL-13, responsables de la proliferación y diferenciación de los linfocitos B en células plasmáticas y células de memoria, por lo que conducen a fuertes reacciones antígeno-anticuerpo. – los Th0 expresan ambos tipos de citoquinas. Los linfocitos T producen una serie de mediadores de la inmunidad celular, como factores activadores de los macrófagos, factores estimulantes de la mitosis y factores sensibilizantes de otros linfocitos, una citoxina que lesiona diferentes células, factores quimotácticos, que atraen a neutrófilos, 06 toxicologia alim 24/11/08 13:46 Página 200 200 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL eosinófilos, linfocitos y macrófagos en zonas con inflamación, factores que aumentan la permeabilidad cutánea y del endotelio vascular y, por tanto, contribuyen a la inflamación, etc. Entre los anticuerpos producidos por las células plasmáticas (linfocitos B) se han separado cinco glucoproteínas, conocidas como inmunoglobulinas. Las principales son: IgA, IgE, IgD, IgG e IgM. Si se digieren los anticuerpos con la enzima papaína, se liberan dos fragmentos proteicos; uno de ellos cristaliza fácilmente, por lo que se denomina fragmento cristalizable (Fc), sin apenas capacidad de reacción con los antígenos, pero que se fija a la membrana de mastocitos y basófilos para activarlos. El otro fragmento, que es reactivo, se conoce como fragmento de unión a antígeno (Fab) y está especializado en el reconocimiento y fijación de éstos; por ello tiene algunas aplicaciones como antídoto. La zona de la molécula del antígeno por la que posee afinidad el Fab se denomina epítopo, y algunos antígenos tienen varios epítopos; cuando otro antígeno porta un epítopo muy parecido puede producirse lo que se denomina alergenicidad cruzada (reacción similar frente a un antígeno diferente). En la membrana de las distintas células hay receptores antigénicos específicos para las diferentes inmunoglobulinas; así, los basófilos, las células cebadas o mastocitos los poseen para la IgE, los eosinófilos para IgG e IgE, los hematíes para IgG, IgM y el antígeno Rh, etc., dispuestos para una reacción antígeno-anticuerpo y correspondiente liberación de mediadores o de anticuerpos. Parece que los radicales libres, las especies reactivas de oxígeno y algunas formas de radiaciones pueden liberar anticuerpos y provocar reacciones alérgicas. La reacción antígeno-anticuerpo también activa el llamado sistema complemento, constituido por más de veinte enzimas y proteínas séricas que se activan en cascada (muchos de los integrantes son proteasas de serina, que se activan secuencialmente) y participan en la desgranulación de mastocitos y liberación de mediadores, cambios conformacionales y formación de poros en mebranas, con lisis celulares, recubrimiento de células extrañas y bacterias por anticuerpos y macrófagos (opsonización) antes de la fagocitosis, etc. Las reacciones alérgicas se dividen convencionalmente en cuatro tipos: los tres primeros se desarrollan por anticuerpos circulantes, mientras que el cuarto está mediado por el ataque de células propias a la molécula antigénica. En el tipo I, anticuerpos IgE y a veces IgG fijados a la superficie de las células cebadas, al reaccionar con sus antígenos específicos, provocan la liberación de los mediadores almacenados en los gránulos de los mastocitos y los basófilos (Tabla 6.6). En la membrana de los mastocitos y de los basófilos existen receptores de gran afinidad para la porción Fc de la IgE, dos moléculas de la cual fijadas a la membrana, en una exposición posterior, son unidas por una molécula de antígeno, que forma un puente entre aquellas, lo que activa a las células, que liberan a sus mediadores. Se produce entonces una reacción alérgica inmediata, que cuando es sistémica se denomina anafiláctica. La sobreproducción de eosinófilos en los procesos de hipersensibilidad y alergia es una característica de los mismos; en el asma alérgica y otros procesos alérgicos crónicos, este incremento de eosinófilos se manifiesta a través de su transformación en los llamados cristales de Charcot-Layden, que se observan en las preparaciones microscópicas de esputos, aspirado bronquial, y tejido bronquial, alveolar y miocárdico de las personas afectadas. Cuando antígenos como: pólenes de árboles o gramíneas, ácaros, algunos alimentos, medicamentos como el ácido acetilsalicílico, las penicilinas, productos industriales como las resinas de urea-formaldehído, isocianatos empleados en la fabricación de poliuretano, ácido ftálico y otros productos y derivados de la industria de resinas epoxi, etanolamina, etilendiamina y en especial los productos orgánicos de núcleo aromático con sustituyentes en posición para, como la p-fenilendiamina, entre las anilinas, y el 2,4-dinitroclorobenceno, los colorantes diazoicos, etc., se unen al menos a dos moléculas de IgE específico para cada uno, ligados a la membrana de un mastocito, se produce la liberación de los mediadores. Esto se realiza sin lisis celular, sino por un proceso bioquímico de formación de prostaglandinas y aumento de la permeabilidad celular. Los principales mediadores químicos que se liberan son: a) Histamina: que produce aumento de la secreción mucosa, contracción del músculo liso (broncoconstricción) etc. b) Serotonina: mitógena, estimula musculatura lisa (vasoconstricción), disminuye las secreciones mucosas. 06 toxicologia alim 24/11/08 13:46 Página 201 MECANISMOS DE TOXICIDAD Tabla 6.6. 201 Tipos de reacciones de hipersensibilidad. Tipos Bases mecanismo Ejemplos de patologías Tipo I IgE Inmediato o anafiláctico Mastocitos y basófilos Anafilaxia Liberación aminas Asma, rinitis, conjuntivitis, urticaria Fiebre del heno Tipo II IgM, IgG Citotóxico Activación del complemento Hemolisis, anemia Lisis celular Agranulocitosis Trombocitopenia Anemia hemolítica autoinmunitaria Tipo III. Reacción de Arthur IgA, IgM, IgG Precipitación de inmunocomplejos Activación del complemento circulantes Alveolitis, neumonitis Glomerulonefritis Enfermedad del suero Lupus erimatoso Tipo IV Hipersensibilidad retardada Linfocitos T Dermatitis de contacto Liberación de linfocinas Fuente: Dayan et al., 1990, modif. c) Factores quimiotáxicos de los eosinófilos (ECF-A) y de los neutrófilos (NCF-A). d) Enzimas diversas. e) Heparina: anticoagulante f ) Calicreína y bradiquinina: vasodilatadores g) Prostaglandinas, tromboxano y leucotrienos (SRS-A), etc. Todos estos mediadores contribuyen a procesos inflamatorios internos y externos, insuficiencia respiratoria por broncoconstricción y encharcamiento pulmonar, alteraciones de la motilidad intestinal, lo cual, unido al exceso de permeabilidad, provoca diarreas, afectaciones nerviosas centrales y periféricas, con dolor y picor, hemolisis, etc. Cuando los mediadores no se originan en los procesos indicados, sino que un individuo los absorbe directamente, por ejemplo en alimentos, bebidas o medicamentos que los contienen o los liberan, el fenómeno se denomina pseudoalergia o anafilactoide. Otro mecanismo consiste en la fijación del xenobiótico o su derivado al complemento inmunitario C 3 , formando unas moléculas llamadas anafilactoxinas que reaccionan con los mastocitos y liberan los mediadores. La reacción aguda se conoce como shock anafiláctico o anafilaxia generalizada, que puede ser mortal. La sintomatología de esta reacción inmediata a la absorción del antígeno al que se está sensibilizado consiste en: grave dificultad respiratoria consecuente a espasmo bronquial y edema de glotis, acompañada de hipotensión; además se presenta edema de cara, urticaria, dolores abdominales, sudoración y sensación de angustia. La muerte puede sobrevenir en unos minutos. La reacción alérgica tipo II es la conocida como citotóxica; los anticuerpos circulantes (humorales), generalmente IgM e IgG, reaccionan con antígenos unidos a la superficie de ciertas células (hematíes, leucocitos, plaquetas) y fijan moléculas de complemento, lo que produce la destrucción de tales células; sus síntomas principales son la anemia y la trombocitopenia. Es la típica reacción postransfusión. En el proceso de citolisis interviene decisivamente el llamado complemento, ya citado, complejo grupo de enzimas circulantes en el suero normal que son activadas cuando los anticuerpos identifican el antígeno. Cuando sobre dos moléculas de antígeno fijadas en situación muy próxima 06 toxicologia alim 24/11/08 13:46 Página 202 202 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL sobre una membrana celular se unen dos IgG, se activa el complemento, que perfora la membrana; por el orificio penetran iones y agua que hacen estallar la célula y salir a los mediadores que almacenaba. Así liberan histamina los mastocitos, leucocitos y plaquetas. Otra clase de reacción alérgica, conocida como de tipo III, consiste en una precipitación de complejos formados por el antígeno y los anticuerpos IgE o IgG, con la colaboración de las precipitinas, que son inmunoglobulinas IgG o IgM. Parece que la reacción inmediata tipo I, al aumentar la permeabilidad capilar, facilita el paso de antígenos al interior de los órganos donde se produce la reacción III con precipitación de complejos inmunitarios (inmunocomplejos) en las membranas endoteliales, (vasculitis). Estos complejos provocan citolisis y la obstrucción de pequeños vasos, que revisten especial significado en los del glomérulo renal. La conocida como reacción tipo II o dual corresponde a la producción de I + III. La reacción tipo IV tiene el carácter de hipersensibilidad retardada o celular, (o mediada por células). Los macrófagos actúan como células presentadoras de antígenos, que provocan proliferación de T-helper y liberación de interleuquinas, activación de NK, etc.; las celulas hipersensibilizadas son lesionadas por el antígeno; al parecer liberan entonces anticuerpos no combinados que atraen a leucocitos y macrófagos; las células dañadas segregan sustancias tóxicas para otros tejidos, en los que producen inflamación y citolisis, llegando a necrosis local o a shock sistémico. Se denominan de hipersensibilidad retardada, porque su presentación se inicia después de al menos 12 horas del contacto con el agente. Son ejemplos, la dermatitis de contacto por objetos de cromo o níquel, cosméticos, detergentes, medicamentos etc. (Tabla 6.7). 3. Finalmente citaremos como otra posibilidad inmunotoxicológica la siguiente: en un primer paso, el tóxico lesiona un órgano, el cual produce o libera moléculas propias que actúan como antígenos capaces de desencadenar una posterior respuesta inmunitaria contra ellos. Este mecanismo engloba procesos conocidos como autoinmunitarios, y hay numerosas sustancias, de muy diversa estructura química, incluidos medicamentos, que los producen. Tabla 6.7. Ejemplos de alteraciones inmunitarias por metales, sus sales o compuestos orgánicos. 1. Reacciones de hipersensibilidad Tipo I: cobalto, cromo, níquel, platino. Tipo II: oro. Tipo III: oro, mercurio. Tipo IV: berilio, circonio, cobalto, cromo, mercurio, níquel, oro. 2. Incremento, en general: cinc, manganeso, selenio 3. Reacciones de autoinmunidad: mercurio, oro. 4. Inmunodepresión: cadmio, cobalto, mercurio, plomo, compuestos órgano-estannicos [óxido de bis (tri-n-butilestaño)] Fuente: Dayan et al., 1990. Estas sustancias que inducen o exacerban enfermedades autoinmunitarias en individuos susceptibles suelen ser compuestos de bajo peso molecular (entre 100-500 daltons), que generalmente no se consideran inmunógenos, ya que las moléculas de éstos son de más de 10.000 daltons. A pesar de la diversidad de estructuras, en general son compuestos heterocíclicos y/o contienen, al menos, un anillo aromático. (Kammüller et al., 1989); sin embargo, estas estructuras no son imprescindibles pues, por ejemplo, el cloruro de vinilo y el tricloroetileno producen esclerodermia. Si bien en las reacciones de hipersensibilidad que hemos descrito, prevalecen las de los tipos I y IV, las de autoinmunidad se corresponden más con las de los tipos II y III (Neubert, 1999). Las enfermedades autoinmunitarias se clasifican en dos grupos: respuestas organoespecíficas y respuestas sistémicas. Las organoespecíficas consisten en la reacción del anticuerpo directamente, o mediado por células, sobre un antígeno específico localizado sobre una célula, un tejido o un órgano. Son ejemplos clínicos la anemia hemolítica autoinmunitaria por autoanticuerpos eritrocíticos, la miastenia gravis por autoanticuerpos contra el receptor de la acetilcolina, la diabetes tipo I (insulinodependiente) autoinmunitaria contra las células beta pancreáticas, etc. En las enfermedades sistémicas autoinmunitarias, las lesiones se presentan en múltiples tejidos cuando, sobre éstos o sus vasos, se depositan los inmunocomplejos formados por el autoanticuerpo 06 toxicologia alim 24/11/08 13:46 Página 203 MECANISMOS DE TOXICIDAD y los antígenos solubles procedentes del núcleo o del citoplasma de las células dañadas. Ejemplos de estas enfermedades generalizadas son discrasias sanguíneas, vasculitis, lupus eritematoso, artritis reumatoide, esclerodermia, dermatomiositis, polimiositis, neuropatías, neuroesclerosis, glomerulonefritis, etc. Se acepta que en la génesis de los trastornos autoinmunitarios participan los polimorfismos enzimáficos, que dan lugar a metabolitos diferentes o distintas cinéticas de eliminación. Hasta hace pocos años, las reacciones de autoinmunidad se consideraban raras, pero un gran número de ellas se han reproducido en modelos animales. En los enfermos se encuentran anticuerpos (autoanticuerpos) contra los distintos constituyentes de las diferentes células (núcleos, nucléolos, orgánulos citoplasmáticos, membranas, etc.). Un ejemplo de enfermedad mediada por reacción inmunitaria es el Síndrome del aceite tóxico, aparecido en España en 1981 y que afectó a más de 20.000 personas (véase en el Prefacio, Desastres tóxicos). Aunque no se ha llegado a demostrar el mecanismo de toxicidad, epidemiológicamente se comprobó que el agente causal se encontraba en un aceite de colza importado de Europa Central para usos industriales, al que, con el fin disminuir la tasa 203 arancelaria se añadió anilina para desnaturalizarlo, pero que fue desviado por desaprensivos a consumo alimentario humano. En cuanto el mecanismo, se manejan varias hipótesis: a). que la anilina se oxidó espontáneamente o por los CYP a N-hidroxianilina, a nitrosobenceno y a quinonimina, que formaron aductos con restos sulfhidrilo de aminoácidos. b). la anilina formó anilidas al reaccionar con los ácidos grasos del aceite; estas anilidas sustituyen a lípidos de la membrana celular y provocan numerosos cambios bioquímicos; y por último, c). la anilina se unió a los grupos OH de la glicerina de los aceites, formando glicéridos de los que el más estable es el 3(N-fenilamino)-1,-propanodiol (PAP). Al parecer, la formación de estos productos tiene lugar en médula ósea, sistema inmunitario, piel y eritrocitos, pero no en hígado. Cualesquiera de estos productos, al reaccionar con las proteínas corporales dieron lugar a péptidos modificados que sensibilizaron a los linfocitos T y desencadenaron reacciones de hipersensibilidad y autoinmunidad. La principal dificultad en el trabajo experimental es que las distintas especies animales ensayadas responden de muy diferente manera, presentando unos u otros síntomas pero no el síndrome completo de los humanos, cuando recibieron los aceites o los productos incriminados, que fueron sintetizados. Figura 6.17. Resumen de los mecanismos inmunitarios. 06 toxicologia alim 24/11/08 13:46 Página 204 204 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Por último, anotemos que los agentes inmunógenos, en general, pueden a su vez interferir las biotranformaciones de los xenobióticos, como se ve en personas recientemente vacunadas contra gripe, hepatitis, etc., en las que se mantienen altas las concentraciones sanguíneas de medicamentos, quizás por una depresión transitoria de la actividad monooxigenasa dependiente del citocromo P-450, como también ocurre con la administración de inductores de interferón. Por otra parte, existen importantes relaciones (aún insuficientemente conocidas) entre los sistemas inmunitario y nervioso, mediadas principalmente por citoquinas. Así, se sabe que el estrés psíquico y las drogas excitantes alteran los niveles de hormonas, mediadores y linfocitos, mientras que opiáceos y cannabis provocan deficiencias en linfocitos B, T, NK y macrófagos. La Figura 6.17 ofrece una visión esquemática y de conjunto de los mecanismos inmunitarios y el origen de las reacciones de hipersensibilidad, inmunodepresión y autoinmunidad. TOXICIDAD SELECTIVA El concepto de Toxicidad selectiva alude a las diferentes respuestas de las distintas estructuras celulares a los agentes químicos. Refleja una capacidad del tóxico para actuar selectivamente sobre las diferentes células. Esta teoría procede de los conceptos de Ehrlich (1854-1915) sobre los grupos «toxóforos» (zona activa del tóxico que se une a un receptor), modificados por Albert, Ariens y otros. El fenómeno de toxicidad selectiva exige, al menos, dos condiciones básicas: A) Existencia de órganos diana susceptibles al tóxico (receptores). B) Existencia de mecanismos que modifiquen las concentraciones del agente en forma activa, en la proximidad de los lugares efectores. Estos mecanismos han de modificar la molécula para originar un producto más tóxico, o liberarlo de su unión con las proteínas transportadoras. Además, la cuantía del efecto no sólo dependerá del número de receptores afectados, sino, muy especialmente, de la velocidad o intensidad con que esto ocurra. En contraste con la acción de los agentes cáusticos, el resto de las sustancias químicas producen una acción suficientemente selectiva capaz de originar trastornos en lugares biológicos específicos, a concentraciones muy por debajo de las precisas para verificar la destrucción celular. Esto supone que en los componentes celulares, o en sus membranas, existen unos lugares u órganos diana o receptores capaces de reaccionar selectivamente. Los receptores El concepto de receptor fue introducido por Langley (1905) para designar un factor de reconocimiento y anclaje de un efector (fármaco) cuya unión origina un efecto biológico. Posteriormente, los efectores se han denominado ligandos o a gonistas y se estima que un auténtico receptor debe poseer las siguientes características: a) Especificidad: que significa no sólo que cada receptor debe tener afinidad por un tipo de ligando, sino también que el efecto biológico que se genera con esta unión debe ser idéntico para cada pareja. Sin embargo, la especificidad no es absoluta, porque al aumentar la dosis de efector este puede unirse a otras dianas y provocar efectos secundarios. Pero la especificidad es tal que les permite distinguir, y responder o no, a los diferentes isómeros de un compuesto, mediante mecanismos basados en la presencia en éstos de carbonos asimétricos y en la distribución espacial de los constituyentes de la molécula (estereoselectividad). b) Reversibilidad: la unión ligando-receptor puede ser transitoria, es decir, disociable y capaz de liberar al receptor en su estado primitivo, con capacidad para uniones posteriores. La reversibilidad es propia de la acción benéfica de los medicamentos; cuando la unión es irreversible suelen producirse efectos tóxicos. c) Saturabilidad: al existir un número finito de receptores, éstos pueden saturarse con la llegada del fármaco, por lo que la curva dosis-efecto no es lineal ni única. Se han propuesto numerosas definiciones de los receptores; la más concreta los describe como macromoléculas diferenciadas cuya interacción con un fármaco da lugar a un efecto biológico. 06 toxicologia alim 24/11/08 13:46 Página 205 MECANISMOS DE TOXICIDAD La intensidad de dicho efecto depende del número de receptores afectados, que es función tanto de su abundancia como de la cantidad de sustancia, en forma activa, que llegue hasta ellos. En los distintos tejidos del organismo hay diferente densidad de cada tipo de receptor, lo que explica que un mismo ligando produzca mayor efecto en unos tejidos que en otros. Los receptores más importantes son proteínas, en forma de enzimas, porciones de membrana muy especializadas, constituyentes de canales iónicos, etc. Desde la década de 1970, el conocimiento sobre los receptores ha crecido extraordinariamente sobre todo por la aplicación de los nuevos métodos de biología molecular y, especialmente por la clonación (Rang et al., 2004). A veces los investigadores se han encontrado con «receptores inesperados» (como lo fue el de los cannabinoides), o los que recibieron el nombre de «receptores huérfanos» cuya función fisiológica se desconoce. Algunos receptores están acoplados a las proteínas G (estas proteínas, así llamadas por su interacción con los nucleótidos de guanina, están ancladas por el interior de la membrana y son capaces de interactuar sobre diferentes receptores, principalmente las enzimas adenilatociclasa y fosfolipasa C y los canales de sodio y potasio; realizan un importante papel en la transducción de señales) y participan en numerosos procesos hormonales y de transmisión nerviosa; otros están ligados a determinadas enzimas, como las quinasas. Los llamados receptores nucleares se encuentran realmente en el citosol, pero influyen sobre el ADN del núcleo a través de proteínas translocadoras que se unen a los llamados fragmentos sensibles del ADN lo que conduce a una alteración en la síntesis de proteínas; ejemplos de receptores nucleares los tenemos en los receptores Ahr de los hidrocarburos aromáticos, que se verán inmediatamente, y los PPAR, receptores activados por los proliferadores de peroxisomas (véase Hepatopatías tóxicas). Transmisión de señales celulares. Clases de receptores Lo anteriormente expuesto es la base del sistema de relaciones existente entre los estímulos 205 exteriores, incluidos los xenobióticos, y las células, y entre las propias células. Para este sistema de señales se precisan de tres componentes básicos. Un estímulo que, para ser percibido, requiere un sensor o receptor, acoplado a un efector, en lo que se llama sistema de transducción de señales o cascadas, que ordinariamente no son lineares sino ramificados o interconectados en diferentes direcciones (Boelsterli, 2007). Los xenobióticos pueden activar o inhibir los sistemas fisiológicos de señales, causando trastornos o toxicidad. Por otra parte, un receptor recibe continuamente numerosas señales, pero debe elegir las convenientes e ignorar las inconvenientes. La alteración de las señales fisiológicas conduce a efectos tóxicos como interrupción del ciclo celular, apoptosis, disregulación de la proliferación celular o neoplasia. Como se ha indicado, hay receptores unidos a las membranas celulares y receptores solubles, presentes en el citosol o en el núcleo. Receptores de membrana Entre ellos citaremos a los siguientes: 1. Receptor acoplado a la proteína G (así llamada por la participación en la interacción de nucleótidos de guanina, GPT y GDP); constituyen una superfamilia que puede activar numerosos canales o enzimas. 2. Receptores unidos a quinasas. Las quinasas son enzimas que unen covalentemente restos de fosfato a serina, treonina o tirosina de proteínas específicas. Estos receptores desencadenan cascadas de quinasas, que terminan alterando la transcripción de genes, tras su iniciación por factores de crecimiento, citoquinas, hormonas, lipolipolisacáridos bacterianos, especies reactivas de oxígeno (ROS), etc. que, en conjunto, reciben el nombre de factores de estrés, que incluye a numerosos xenobióticos. 3. Ligandos de canales iónicos, que modifican la permeabilidad al correspondiente ion. Receptores solubles o nucleares Hay unos receptores intracelulares de gran afinidad, disueltos en el citosol en una forma inactiva, que, a través de una serie de pasos de transmisión de señales, llegan a actuar sobre el ADN. Son 06 toxicologia alim 24/11/08 13:46 Página 206 206 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL moléculas solubles que se unen a un ligando, migran al interior del núcleo y reaccionan con elementos genómicos de respuesta. Constituyen diversas superfamilias, entre las que destacan, por su interés toxicológico, los receptores de hormonas esteroides y los receptores proteínas PAS. Los receptores de hormonas esteroides forman una gran familia (véase apartado de Disruptores endocrinos, Capítulo 7), constituyen dímeros, bien homodímeros o bien heterodímeros; en éstos la molécula acompañante es el receptor retinoico X (RXR), que une al ácido 9-cis-retinoico. Entre los receptores de esteroides cabe destacar al receptor de estróg enos (ER), receptor de andrógenos (AR), el receptor activado pr oliferador de peroxisomas (PPAR), etc. El receptor pregnano X (PXR) se expresa en hígado, intestino delgado y colon. Induce la síntesis de CYP3A, en particular CYP3A4.; tiene gran avidez para unirse a hormonas esteroides (progesterona, estrógeno y corticosterona) o sus metabolitos; también forma heterodímeros con el ácido retinoico, y puede ser inducido por activación de otros receptores, como el receptor de glucocorticoide, GR, (lo que explica que los glucocorticoides induzcan indirectamente la transcripción de CYP3A4), pero es disregulado por las citoquinas, por cuya causa, algunas citoquinas disminuyen diversos P450. Entre los PAS destaca el receptor de arilhidrocarburos (HR) que reacciona ante compuestos como las dioxinas, dibenzofuranos, bifenilos, etc. policlorados. En algunos casos los receptores de esteroides se mantienen inactivos al estar unidos a proteínas de shock (hsp90), chaperonas. Al unirse al ligando, el receptor experimenta un cambio conformacional y se disocia de la chaperona, se dimeriza, penetra en el núcleo y se une a elementos de respuesta localizados en la región del ADN promotora de agentes específicos. Los receptores proliferadores de peroxisomas (PPAR) son activados por ácidos grasos y algunos metabolitos de ecosanoides, así como los compuestos hipolipemiantes tipo fibrato, plastificantes como di-(2-etilhexil)ftalato, algunos disolventes, etc. de los que requieren concentraciones relativamente altas; existen varios subtipos; el más estudiado es el PPARα, abundante en hígado de roedores en los que produce hepatomegalia por hiperplasia e hipertofia; algunos ligandos son pro- motores de tumores, pero no parece que sean genocarcinógenos. Las proteínas receptores PAS se sirven de factores de translocación para entrar en el núcleo; así el receptor de hidrocarburos aromáticos (AH o Ah) utiliza el factor ARNT; el dímero formado se une a un segmento del ADN conocido como elemento aumentador de respuesta XRE, o en su caso, elemento de respuesta a la dioxina, DRE, localizados en la proximidad de la región promotora de genes específicos que son activados por este tipo de señales. La actividad del AhR es posteriormente regulada por la presencia de un represor (AhRR), otra proteína de la familia PAS. Los principales genes afectados son los CYP1A1, CYP1A2, y CYP1B1, que expresan enzimas de la fase I de biotransformación (Boelsterli, 2007). La unión fármaco-receptor se produce por diferentes clases de enlace químico; normalmente se inicia con uno o varios enlaces iónicos, y después se refuerza con otros enlaces accesorios. Sin éstos, la energía térmica a 37º rompería la unión, que no se mantendría el tiempo necesario para la acción; pero después de ésta, es preciso que las dos moléculas se separen para interrumpir la acción y se regenere el receptor, para que pueda volver a actuar; cuando la unión se establece por enlaces covalentes, es irreversible. En general, la interacción de fármacos y receptores obedece a la ley de acción de masas. Todos los fármacos, y por tanto los tóxicos, capaces de producir un efecto al unirse a receptores, por lo que reciben el nombre de agonistas, deben poseer dos cualidades: a) Afinidad con el receptor, que les lleve a unirse al mismo. Esta cualidad depende de una concordancia fisicoquímica y espacial, que les atraiga mutuamente y les permita encajar uno con el otro. b) Eficacia, también conocida como actividad intrínseca, que es la capacidad para, tras unirse al receptor, iniciar acciones o cambios en el mismo que se manifestarán como efectos. De ambas cualidades depende la potencia del tóxico o fármaco, pero la intensidad del efecto es función del número de receptores y de la velocidad a que estos son afectados. Las moléculas de los tóxicos se unen a receptores que ordinariamente 06 toxicologia alim 24/11/08 13:46 Página 207 MECANISMOS DE TOXICIDAD cumplen una función fisiológica con agonistas endógenos, pero les provocan bien una estimulación excesiva o bien un bloqueo en su función de lo que se deriva el efecto nocivo, a veces de forma definitiva al unirse por enlace covalente; cuando un medicamento se absorbe en cantidad elevada, el número de receptores estimulados es grande, y el efecto es tóxico. La estimulación continuada o muy repetida de determinados receptores da lugar a una desensibilización o taquifilaxia, o tolerancia de los mismos, así denominadas según el tiempo necesario para ello, de menos a más. Esta pérdida de función puede deberse a varias causas, como son: – alteraciones de los receptores, bien porque se les produzca un cambio en su configuración, bien porque experimenten una fosforilación estable, mecanismo que inicia la intervención de los segundos mensajeros, etc. – modificación de la estructura del receptor a consecuencia de una alteración de la expresión génica inducida por el xenobiótico. – pérdida o disminución del número de receptores, lesionados o necrosados por la estimulación abusiva, que suelen ser reabsorbidos al interior de la célula por endocitosis. – agotamiento de las reservas de mediadores, como ocurre tras el abuso de anfetamínicos, en que se vacían los depósitos de las aminas neurotransmisoras. Ariens et al. aplicaron a las interacciones fármaco-receptor las leyes de Michaelis y Menten para las reacciones enzimáticas, basadas en: K3 K1 F + R→ [F – R] →Ε ← K2 donde [F – R] es el complejo activo formado entre receptor y ligando, y E el efecto producido; las velocidades a que se desarrollan cada uno de los pasos vienen dadas por las constantes K1, K2, K3 La constante K3 que rige la aparición del efecto, valora la actividad intrínseca. Cuando K3 = 1, el efecto es el máximo posible (Emáx), y la sustancia se comporta como un agonista total. Cuando K3 < 1, el efecto es menor que el máximo, por lo que el fármaco actúa como agonista parcial; mientras que si K3 = 0, el fármaco no produce efecto y ade- 207 más bloquea al receptor para que no le afecten otras sustancias, por lo que se denomina a aquél antagonista especifico. La expresión K2 + K3/K1 = Km o simplemente K2/K1 = Km, nos permite calcular la afinidad, como 1/Km, representando Km la concentración de fármaco que provoca un efecto mitad del máximo posible. Si se representa gráficamente 1/E en ordenadas, frente a 1/[F] en abscisas, se tiene una recta cuya pendiente es Km/Emáx, que corta el eje de ordenadas en 1 /Emáx y el de abcisas en -l /Km (Fig. 6.18). La constante K2, representativa de la velocidad de disociación del complejo [F – R], influye decisivamente en la efectividad, ya que a mayor valor de K2 menos efectivo será el complejo. Algunos receptores, sobre todo los correspondientes a membranas celulares, no cumplen la cinética de Michaelis-Menten, y su comportamiento se trata de explicar por la teoría alostérica. Ésta supone que, en ausencia del fármaco, el receptor posee dos estados conformacionales en equilibrio; un estado es de reposo y el otro de activación. La llegada de un agonista desplaza el equilibrio hacia la forma activa, mientras que los antagonistas lo harían hacia la forma inactiva; agonistas y antagonistas actuarían en diferentes puntos del receptor, mientras que los agonistas parciales tendrían afinidad por ambos estados conformacionales. Se piensa también que los receptores poseen varios lugares de acción que no funcionan independientemente, sino que la fijación de un fármaco en un punto produce cambios conformacionales que modifican la fijación de otros agonistas o antagonistas en otros lugares. Estas dianas pueden ser lugares vitales, cuya alteración, por la reacción con el agresor químico, conduce a la muerte celular, o pueden ser lípidos o Figura 6.18. 06 toxicologia alim 24/11/08 13:46 Página 208 208 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL proteínas, cuya modificación no altera directamente las funciones celulares. Algunas veces, tales receptores pueden llegar a ser claramante definidos, pero en ocasiones no pasan de ser elementos hipotéticos, situados dentro o sobre la célula o en una molécula de proteína circulante. Receptores de interés toxicológico Los grupos sulfhidrilos de los sistemas enzimáticos son receptores específicos para los metales pesados; igualmente la acetilcolinesterasa es el receptor específico para los compuestos organofosforados, la hemoglobina y el citocromo P-450 lo son para el monóxido de carbono y la citocromooxidasa para el ion cianuro; también se conocen los receptores de los opiáceos endógenos (endorfinas) y exógenos, y para los cannabinoides y su equivalente endógeno, la anandamida (Mechoulam, 1992), que es la etanolamida del ácido araquidónico o O-araquinonil-etanolamida (AEA). Posteriormente se han descubierto otros cannabimiméticos endógenos derivados de ácidos grasos poliinsaturados, como son el noladin eter, la homo-γ-linolenil-etanolamida, N-araquidonildopamina (NADA) y la docosatetranil-etanolamida (DEA), y un endocannabinoide que no es una amida, el 2-araquidonil-glicerol (2-AG). Como se ve, todos ellos son compuestos lipófilos y derivados del ácido araquidónico, precursor en la biosíntesis de las prostaglandinas y mediador en los procesos inflamatorios. Recuérdese que en la degradación de los fosfolípidos se forma ácido araquidónico, el cual puede actuar directamente como mensajero intracelular o salir de la célula y actuar sobre las vecinas, o también, metabolizarse a anandamida y eicosanoides, a su vez, mensajeros intracelulares. En diferentes regiones del cerebro o de otros tejidos, como la placenta, se han localizado unos receptores de cannabinoides que se han designado como CB1 que se acoplan a diversas proteínas G o segundos mensajeros y median muy distintos efectos. En tejidos periféricos y especialmente en los del sistema inmunitario se localizó otro tipo de receptor que se denominó CB2; esta localización sugiere que el CB2 puede ser el mediador de la bien conocida capacidad inmunosupresora del cannabis. Por su parte, la 2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-dioxina (TCDD) es el miembro más tóxico de los hidrocarburos aromáticos halogenados, particularmente de la familia de las dioxinas o policlorodibenzodioxinas (PCDD); es también el mayor inductor enzimático conocido al provocar sobreexpresión de proteínas, es cancerígeno y realiza una fuerte acción sobre el sistema inmunitario. Aunque el mecanismo molecular de esta actividad no está totalmente aclarado, se conoce la participación del receptor de arilhidrocarburos (AhR), y resulta ser un importante ejemplo de Toxicidad Selectiva (Figuras 6.19, 6.20 y 6.21). El AhR es un factor de transcripción activable por ligandos que une la dioxina a elementos de respuesta (DRE) presentes en la región de promoción /aumento de los genes diana. En el núcleo de las células diana, la dioxina (TCDD) o el metilcolantreno y otros compuestos Figura 6.19 Receptor nuclear de hidrocarburos aromáticos (AH). El hidrocarburo aromático penetra en la célula y se une al receptor específico Ahr, que ahora se disocia de la chaperona HSP90 con la que formaba un dímero. Seguidamente el AhR activo se une a la proteína translocadora ARNT que permite su entrada en el núcleo y acceso a los genes Ah. 06 toxicologia alim 24/11/08 13:46 Página 209 MECANISMOS DE TOXICIDAD 209 Ejemplo: acción de la dioxina (TCDD) 2,3,7,8-tetracloro-dibenzo-p-dioxina CÉLULA NÚCLEO DRE (ARE) TCDD AhR Transcripción ARNT TRANSLOCACIÓN m-RNA DRE (otros genes) Traducción CYP POLIPÉPTIDOS Otras enzimas y proteínas EFECTOS TOXICOS Figura 6.20. Aplicación el esquema de la Fig. 6.19 a la entrada y acciones de la dioxina en el núcleo celular. relacionados se unen inicialmente al receptor de hidrocarburos aromáticos (AhR), el cual acumula en el núcleo un complejo con una proteína translocadora (ARNt ). Este complejo actúa como factor de transcripción que al unirse a la correspondiente región del ADN conocida como sensible activa varios genes (aumenta su expresión) que rigen la síntesis de diferentes enzimas, como: CYPIAl, Figura 6.21. Fragmento sensible o cognate del ADN, activado por los AH. CYPIA2, aldehído deshidrogenasa, glutationtransferasa, glucuroniltransferasa, NAD (P)H-quinasa óxido-reductasa, etc., aunque al propio tiempo se puede inhibir o disminuir la síntesis de otras proteínas y enzimas. La clonación del gen AhR facilita el mapeo de las vías de señales intracelulares que se activan por ligandos Ah exógenos, y que conducen a lesiones biológicas. Se ha visto que, tras la unión del receptor a sus ligandos, se produce elevada expresión del AhR en células en crecimiento rápido, activación del AhR en células en suspensión, participación del AhR en el ciclo celular y en la apoptosis, asociación del AhR con otros factores de transcripción en ausencia de xenobióticos, etc., lo que sugiere que la activación del AhR puede afectar a insospechadas actividades celulares. Un posible mecanismo de la inmunotoxicidad mediada por TCDD consiste en la producción de cambios funcionales en la actividad de las proteínas reguladoras y en las señales celulares, que parecen ocurren independientemente de los pasos de transcripción mediados por DRE. Esta modulación de la cadena de señales celulares y genes diana por la TCDD parece controlar la diferenciación de los leucocitos. 06 toxicologia alim 24/11/08 13:46 Página 210 210 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL El sistema nervioso es sede de receptores muy especializados cuya activación desencadena un efecto específico (véase capítulo siguiente), así: a) los receptores adrenérgicos provocan estimulación nerviosa, hiperactividad, elevación de la presión sanguínea, etc. b) el sistema dopaminérgico afecta al comportamiento, la autogratificación, las adicciones; se conocen varios subtipos (receptores D1 a D4) todos los cuales intervienen en la esquizofrenia. El D3 regula la hiperactividad locomotora y el D1 es la diana de los medicamentos neurolépticos antipsicóticos. c) el serotoninérgico participa en las alucinaciones; d) entre los receptores de opiáceos, d.1) el mu (µ) y el delta (δ), aunque presentes en distintas zonas del cerebro, son los que participan en la acción analgésica, eufórica y narcótica y, también, en los efectos indeseables, como depresión respiratoria, reducción de la motilidad intestinal y la dependencia; d.2) el receptor kappa (κ), que se encuentra en la médula espinal, media también en la analgesia y sedación; y d.3) el sigma (σ) interviene en las reacciones de alucinación, disgusto y desagrado. e) el receptor del glutamato y su subtipo Nmetil-D-aspartato (receptor NMDA) participan en la protección y en la degeneración neuronal, memoria y conocimiento. El NMDA está implicado en la fisiopatología de importantes desórdenes neurológicos y neuropsiquiátricos, como Enferme- dad de Parkinson, Corea de Huntington, esquizofrenia, etc. Está compuesto por heterodímeros, y regula el transporte de iones Na+, K+ y Ca++; el receptor NMDA es estimulado por el glutamato y otros agonistas, pero la sobreestimulación puede dar lugar a producción de especies reactivas de oxígeno y de nitrógeno, activación proteínquinasa C, de la ADNasa, fosfolipasa, calpaína, etc. que se manifiestan con daños celulares, cambios en la expresión de genes y patologías como las citadas (Figura 6.22). Distribuidos por todo el cuerpo, en el núcleo de las células integrantes del sistema endocrino, hay receptores de esteroides (de andrógenos o de estrógenos), proteínas específicas que, al unirse a un esteroide, sufren un cambio de conformación, se activan y se unen a determinados lugares del ADN sobre el que estimulan la transcripción genética y la proliferación celular (véase Disruptores endocrinos, Cap. 7). Una variedad es la constituida por los receptores de esteroides activados por proliferadores de peroxisomas, también receptores nucleares que, con participación de un mecanismo epigenético (véase Genotoxicidad, Cap. 7), pueden llevar a promoción de tumores y cáncer (Figura 6.23); son ejemplos de proliferadores de peroxisomas medicamentos de la familia de los fibratos. Aunque en muchos casos el receptor no haya sido dilucidado aún, esta teoría nos ayuda a explicar, y predecir, numerosos mecanismos de acción farmacológica y tóxica. Figura 6.22. Toxicidad mediada por el receptor NMDA (Lynch y Guttmann, 2002). 06 toxicologia alim 24/11/08 13:46 Página 211 MECANISMOS DE TOXICIDAD 211 Figura 6.23. Receptores nucleares de esteroides activados por proliferadores de peroxisomas. El grado de especificidad de los receptores es tal, que incluso llegan a diferenciar a los estereoisómeros de una sustancia; por ejemplo, la l-adrenalina resulta 20 veces más activa en elevar la presión sanguínea que su isómero dextro. Actualmente tiene gran interés en toxicología la diferencia de efectos de los compuestos quirales. A veces, la acción tóxica de un producto se basa en la ocupación por éste de un receptor que, fisiológicamente, se combina con sustancias endógenas, hormonas o neurotransmisores. De esta forma, el efecto letal de la d-tubocurarina se debe a la parálisis de los músculos esqueléticos, consecuente al bloqueo selectivo de los receptores fisiológicos para la acetilcolina, en la sinapsis o placa neuromuscular. Tal acción es específica para el músculo estriado y no afecta la musculatura lisa o cardíaca. Muchas reacciones de toxicidad selectiva se basan en la inhibición competitiva con enzimas importantes en procesos fisiológicos. Así, los productos organofosforados y carbámicos, que inhiben la acetilcolinesterasa, o el fluoracetato, que interrumpe el ciclo de Krebs al bloquear el paso citrato-isocitrato por inhibición de la aconitasa. Otro ejemplo sería la competición del dicumarol con la vitamina K en los procesos hepáticos de síntesis de protrombina; el proceso es reversible ante la abundante administración de vitamina K. RELACIONES ESTRUCTURA-ACTIVIDAD Ya en 1868, Crum-Brown y Fraser, de la Universidad de Edimburgo, se preocupaban por encontrar una relación entre la estructura química de las sustancias y su actividad farmacológica y tóxica. Las investigaciones en este sentido han sido profusas y poco definidas, a causa de diversos motivos: a) No se encuentra correspondencia entre las propiedades fisicoquímicas de algunas sustancias y su comportamiento en el medio biológico. b) En muchas ocasiones la actividad que se estudia se debe a un metabolito de la sustancia en cuestión, y la producción de aquél puede depender de numerosas variables (especie animal, inducción enzimática, etc.). c) Influencia de factores farmacocinéticos o toxicocinéticos variables de una sustancia a otra de estructura incluso similar (absorción, unión a proteínas transportadoras, fijación a receptores o a tejidos inertes, eliminación, etc.). d) La denominada paradoja estructural que se presenta entre sustancias con esqueleto químico parecido pero con actividades y toxicidades muy diferentes, como por ejemplo distintas fenotiazinas, entre las que hay unas con actividad antipsicótica (clorpromacina), antihistamínica (fenergán), antitusígena, antiespasmódica, antihelmíntica, etc. 06 toxicologia alim 24/11/08 13:46 Página 212 212 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Cuando se modifican las zonas o grupos químicos activos sobre las moléculas biológicas, denominadas desde Ehrlich farmacóforos o toxóforos, puede ocurrir que: 1. Un cierto número de alteraciones no haga variar la actividad. El conjunto de zonas o grupos de la molécula en que esto ocurre se llama mitad no crítica y no interviene en la acción. 2. Existan grandes zonas apolares, necesarias para la actividad, pero que pueden modificarse algo sin alterar la actividad. Es la región de libertad estática. Ninguna de estas zonas es fundamental para prejuzgar o interpretar la actividad. 3. Haya grupos que influyen grandemente en la relación lipofilia/hidrofilia (coeficiente de reparto lípido/agua) o en el establecimiento de enlaces con los receptores. Recordemos que en los ácidos y bases débiles, su pK frente al pH del medio determina la proporción de sustancia sin disociar, o sea, la que puede atravesar membranas. 4. En las series homólogas se produzca una relación parabólica, ya que la actividad puede aumentar con el número de átomos de C (o de metilenos), porque incrementa la lipofilia, pero cuanto ésta alcance ciertos valores (se hace muy grande) la sustancia se acumulará en los lípidos fijos sin llegar a los receptores. 5. Un 25 % de los productos sintéticos, y por tanto de los medicamentos, son racémicos (mezcla de isómeros). Cuando una sustancia tiene un átomo con cuatro sustituyentes diferentes, aquel se denomina centro quiral (del griego kiro, mano), porque da origen a dos estereoisómeros, llamados enantiómeros, que no son superponibles, sino que uno es como la imagen del otro en un espejo, y poseen muy diferentes propiedades fisicoquímicas (hidro/liposolubilidad, rotación de la luz polarizada hacia la derecha o hacia la izquierda, que antes se designaban como d o l y actualmente con (+), (-) o con R, S,) y también bioquímicas; varían grandemente en cuanto a sus moléculas transportadoras, a las enzimas que les usen como sustratos, a sus receptores, etc., por lo que se habla de una cinética y una dinámica estereoselectiva, ya que, al tener las moléculas biológicas estructura quiral (los aminoácidos y proteínas son S, y los hidratos de carbono R), presentan diferente actividad, según el número de enlaces que establezcan con el receptor. Los lugares diana son biomoléculas quirales que enlazan preferentemente con uno de los dos enantiómeros. De cada pareja de enantiómeros (estereoisómeros), el más activo se denomina eutómero y el menos activo distómero. Así, una serie homóloga de estereoisómeros puede dividirse en una serie eutomérica y otra distomérica; ahora bien, cuando se absorbe un compuesto racémico, aunque el isómero específicamente activo sea el eutómero, el distómero también puede agredir al organismo en otros lugares diana, y lo obliga a su biotransformación y eliminación, por lo que en caso de medicamentos lo ideal es no administrar el compuesto racémico sino solamente el isómero eutómero aislado, para evitar los efectos indeseables que pudiera ejercer el distómero; ejemplo típico de la peligrosidad de un racémico se tiene en la talidomida, cuyo enantiómero teratógeno es el d ó R. En el caso del alcohol etílico ocurre todo lo contrario; al no poseer el etanol ningún carbono asimétrico carece también de receptores biológicos específicos que permitan contemplar una interacción ligando-receptor, lo que ha dificultado explicar el mecanismo de toxicidad de esta sustancia. Con arreglo a la teoría de la toxicidad selectiva, la copulación de un posible tóxico con su respectivo receptor dependerá de las características fisicoquímicas y estructura molecular del compuesto. Empíricamente se sabe que en la toxicidad influyen: 1. El peso atómico o molecular. Tanto los elementos inorgánicos como las moléculas orgánicas son más tóxicos cuanto mayor es su peso atómico o molecular. En los halógenos es a la inversa porque la toxicidad del F > Cl > Br > I. 2. La valencia o grado de oxidación (por tanto, especie química) de la que depende la hidro o liposolubilidad de los compuestos y, consecuentemente de su facilidad para atravesar las membranas celulares. Así, el cloruro de mercurio I (HgCl) es prácticamente insoluble en agua y muy poco tóxico por vía oral, a diferencia del cloruro de mercurio II (HgCl2), aunque el Hg+ lentamente se oxida a la forma Hg 2+ . En forma elemental Hg 0 no es demasiado tóxico por vía oral, salvo cronicidad, pero extraordinariamente lesivo si se inhalan sus vapores; los compuestos organomercúricos, como el metilmercurio, son fuertemente neurotóxicos. 06 toxicologia alim 24/11/08 13:46 Página 213 MECANISMOS DE TOXICIDAD El arsénico se presenta en especies con diferente grado de oxidación, de los que nos interesan más en Toxicología los As3+ y As5+. El arsénico elemental (As0) posee escasa toxicidad por su baja solubilidad; los As-3 en su forma de arsina (AsH3) y As+3 (arsenitos) son altamente tóxicos por su gran apetencia por los grupos SH. La captación celular de los As3+ es mayor que la de los compuestos de As5+ (arseniatos) que, dentro de la célula, se transforman en As3+; el As5+ no se une a los SH sino que sustituye al ion fosfato y desacopla la fosforilación oxidativa (Figura 6.24); la vida media de los As5+ es mayor que la de los As 3+, pero la toxicidad de éstos es mayor que la de aquellos, lo que ya fue observado por Ehrlich. Por su parte, el cromo puede actuar con las valencias 2, 3 y 6 positivas con diferente toxicidad; el Cr3+ (en forma de sales) es metal esencial, pero es poco permeable para las membranas biológicas, al contrario que el Cr6+ (dicromatos), que dentro de la célula se reduce a Cr3+ (Figura 6.25). Este último (en el que también se transforma, por oxidación, el Cr 2+ ) reacciona con numerosos constituyentes celulares y posee mucha mayor toxicidad que los compuestos de Cr6+ que, sin embargo, es carcinó- 213 geno (Soria et al., 1995), (Herce-Pagliai et al., 1998); además, en la reducción de Cr6+ a Cr 3+ , pasando por Cr5 y Cr 4, que también son reactivos, se originan especies reactivas de oxígeno (ROS), muy activas sobre las moléculas biológicas. 3. Naturaleza química. Dado que muchos fenómenos tóxicos se deben a que un agente bloquea los grupos funcionales de las proteínas celulares (grupos aldehído, amino, sulfuro y oligoelementos), serán tóxicas todas las sustancias capaces de reaccionar de esta forma. Por ejemplo: la fenilhidracina y la hidroxilamina, para los aldehídos, metales pesados con los sulfuros y, a su vez, aldehídos o ácidos con las aminas, o sulfuros y tioles para los oligoelementos. Según Richet, las sales de los metales son tanto más tóxicas cuanto más raros sean éstos en la Naturaleza (suelo, aguas y organismos vivos). Las modificaciones de la estructura química se reflejan en la toxicodinamia, así: a) La toxicidad de una sustancia orgánica aumenta al adicionarse átomos de halógenos. El metano es poco tóxico, pero sus derivados mono, di, tri y tetrahalogenados son cada vez más tóxicos, irritantes, lacrimógenos y sedantes. Figura 6.24. Mecanismos de acción de los iones de arsénico. 06 toxicologia alim 24/11/08 13:46 Página 214 214 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Figura 6.25. Mecanismos de los iones del cromo. Los hidrocarburos acíclicos son sedantes, y este poder aumenta con la halogenación, mientras quede algún átomo de hidrógeno sin sustituir; el C14C ya no es sedante. De acuerdo con Ostwald, el poder de sedación de los hidrocarburos acíclicos aumenta cuando: α) se alarga la cadena, hasta C- 10; β) se ramifican; γ) se insaturan; δ) se oxidan a cetona; pero la acción sedante disminuye cuando: ε) se oxidan a ácido; ζ)se oxidan en 2 o más carbonos; η) se producen lactonas, que son estimulantes de la fibra lisa. b) La cloración de los hidrocarburos cíclicos no saturados (aromáticos) aumenta las propiedades antisépticas. La halogenación en una cadena lateral exalta su acción irritativa en mucosas, tanto más cuanto mayor sea la labilidad del halógeno; también la betahalogenación induce más toxicidad que la alfahalogenación. c) La función amina (NH2) es estimulante del SNC y aumenta la toxicidad. Las aminas son metahemoglobinizantes. d) La función nitroso (N02) es vasodilatadora y eleva la toxicidad al ser metahemoglobinizante, al igual que los grupos azoicos, que rompen su doble enlace -N = N-, para dar aminas. Los nitratos inorgánicos (reducibles en el intestino a nitritos) producen metahemoglobina, mientras que los orgánicos son, preferentemente, vasodilatadores. e) La toxicidad aumenta con la insaturación: C = O, C = N - H; la acroleína CH2 = CHCHO es más tóxica que el propanal. El grupo amino libre -HN2 es más tóxico que si está sustituido -XNH. Su cualidad vasoconstrictora aumenta con la presencia de oxidrilos alcohólicos o fenólicos (adrenalina, oxifeniletilamina). El nitrógeno en forma -N= como en la piridina, es menos tóxico que en forma amina, -NH2 (anilina) o = N - H (piperidina) por su reactividad con los grupos aldehídos biológicos. Si en el núcleo de la anilina se introduce un radical alquílico (o-toluidina) aumenta la toxicidad, pero si aquél sustituye un H de la amina, formando un grupo imino - NH - CH3, disminuye. El nitrógeno unido al núcleo aromático, o formando parte de él, disminuye la toxicidad sobre el SN; son productos analgésicos y antitérmicos. f) En líneas generales, y conforme a la estructura molecular, la toxicidad aumenta con: α) La insaturación. β) La sustitución de H. Al igual que los derivados halogenados, los alcoholes terciarios son más tóxicos que los secundarios y los primarios. γ) La posición orto confiere distinta actividad que la para y la meta. Los dinitrofenoles en 06 toxicologia alim 24/11/08 13:46 Página 215 MECANISMOS DE TOXICIDAD orto aumentan la combustión celular, los meta y para la disminuyen y producen descenso de la temperatura, enlentecimiento de la respiración y vértigos. σ) En la isomería geométrica, los compuestos simétricos suelen ser más tóxicos que los asimétricos. ε) En los isómeros ópticos la actividad biológica corresponde a los levógiros, siendo menor en los dextro y los racémicos. ζ) Los formas estereoisómeras cis son más tóxicas que las trans. RELACIONES CUANTITATIVAS (QSAR) Hacia principios de 1960, Corwen Hansch desarrolló una metodología con aplicación de computadoras para el estudio de lo que fue conocido como «relaciones cuantitativas estructura-actividad» (QSAR). Este método asigna parámetros a los grupos químicos, de forma que puede valorarse (al modificar la estructura química de una sustancia) la contribución de cada grupo a la actividad del fármaco. Los parámetros más empleados son los de carácter electrónico, estérico y de solubilidad, y existen tablas con los valores de estos parámetros para numerosos grupos funcionales que pueden actuar como sustituyentes en la estructura básica del compuesto. En definitiva, los estudios tradicionales de QSAR utilizan descriptores obtenidos experimentalmente que, fundamentalmente, representan las propiedades fisicoquímicas de las sustancias, como son el coeficiente de partición (log P octanol/agua) y los de Hammett, Taft, Sterimol, etc. Actualmente se está intentando obtener parámetros basados en la química cuántica, mediante cálculos por ordenador. De esta forma, y a partir de la estructura química de un compuesto, es posible calcular parámetros que cuantifiquen la reactividad relativa del xenobiótico. Algunos de estos parámetros son las energías y la distribución de los orbitales frontera en situación natural o excitada (HOMO y LUMO) relacionadas directamente con la reactividad nucleofílica y electrofílica, respectivamente; además, pueden calcularse los momentos dipolares, la distribución de los radicales, los volúmenes de Van der Waals y otros parámetros. 215 Estos métodos computarizados son aplicables al tratamiento de los datos toxicológicos, toxicocinéticos e incluso de la biotransformación de los xenobióticos (Rietjens et al., 2000). Parámetros electrónicos Se utilizan para medir la capacidad para donar o para captar electrones; cuando la densidad electrónica de un grupo disminuye, será objeto de más fuerte atracción electrostática por el receptor. Hammet estableció en 1940 que un grupo captador de electrones unido al anillo aromático del ácido benzoico incrementa la fuerza ácida del grupo carboxilo, y cuanto mayor sea el poder de captación de electrones, mayor será el incremento de la acidez. La constante de Hammet para sustituyentes es α = log (Kx/Ko), siendo Ko y Kx las constantes de ionización cuando X = H y cuando está sustituido. Cuando se cambia X en la estructura de la metadona, se aumenta su capacidad analgésica en el orden: COOH X=OCH3 < CH3 < H < CI < NO2 X Por su parte, Fukata y Metcalf (1956) comprobaron que los insecticidas organofosforados fenildietilfosfatos aumentan su toxicidad como anticolinesterásicos sobre la mosca doméstica con la densidad electrónica del anillo aromático al variar X; lo mismo ocurre con los carbamatos, y propusieron que: log (1/DL-50) = 1.963 s - 3.030 Posteriormente se han propuesto otras constantes como la que mide los efectos inductivos, aplicables a los compuestos alifáticos, y la de Taft, que valora los efectos polares de los sustituyentes al producirse hidrolisis de los ésteres. 06 toxicologia alim 24/11/08 13:46 Página 216 216 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Parámetros de sustituciones estéricas Consisten en la medida del tamaño o del volumen del grupo sustituyente y su influencia sobre la perfección del contacto xenobiótico-receptor, tratando de obtener una información tridimensional y su relación con el efecto. Se utiliza una constante de Taft derivada de la anterior, y el volumen y el radio de van der Waals, entre otros descriptores. Parámetro de la mínima diferencia estérica (MSD) Para determinarlo, se sobreponen las fórmulas de los compuestos que se comparan y se señalan las partes que no se solapan, de acuerdo con las siguientes reglas: 1. Se ignoran los átomos de hidrógeno. 2. Se asignan los siguientes valores a los elementos que sobresalen, según la posición en el sistema periódico: 2.1. Elementos del segundo periodo: valor 1. 2.2. Elementos del tercer periodo: valor: 1,5. 2.3. Elementos en periodos sucesivos: valor 2. Así, el MSD entre la piperidina y la pirrolidina es 1, y entre ésta y el indol es 4. N | H N | H N | H Como los grupos químicos son generalmente asimétricos, el radio de Van der Waals depende del eje de la molécula sobre el que se mide, por lo que se definen tres radios: el menor, el mayor y el que mide la distancia que sobresale desde el volumen de la molécula madre. Una variación de este radio fue propuesta por Charton, al corregirlo con el radio del hidrógeno (1.20). Como parámetro estérico puede usarse también la conectividad molecular, que se obtiene asignando valores a los enlaces de la molécula. Coeficiente de partición Los coeficientes de partición (véase Capítulo 3) son constantes de equilibrio y, por tanto, están relacionados logarítmicamente con la energía libre. Una vez obtenidos los coeficientes de partición o reparto (P) en sistemas n-octanol-agua del compuesto no sustituido H y del sustituido X, se tiene la constante de Hansch: π= log (Px/PH) Valores cromatográficos Cuando la solubilidad de un soluto es considerablemente mayor en una fase que en otra, puede resultar dificil calcular experimentalmente el coeficiente de partición. Entonces puede ser útil el valor del Rf cromatográfico que se relaciona con el coeficiente de partición P, a través de: log P = Rm + Cte; y Rm = log (l/Rf + 1) Para sustancias altamente lipófilas, en que Rf es muy alto, se utiliza cromatografía sobre papel en fase reversa; o de capa fina impregnada con parafina, desarrollando con mezclas de acetona-agua. Posteriormente, se usan tiempos de retención en cromatografía de líquidos. RELACIONES BIOLÓGICAS Las primeras relaciones entre actividad biológica y energía libre fueron encontradas por Ferguson al notar en la literatura que el logaritmo de las concentraciones tóxicas de la serie de alcoholes alifáticos normales varía con el número de átomos de carbono y está relacionado con la energía libre o actividad termodinámica. La teoría termodinámica de Ferguson es aplicable a anestésicos muy variados y a la actividad anti- 06 toxicologia alim 24/11/08 13:46 Página 217 MECANISMOS DE TOXICIDAD microbiana de los fenoles, pero no en relación con las series homólogas, a las que, según hemos visto, habría que aplicar un factor de sobresaturación. Hansch y Fujita propusieron varias modificaciones a la teoría de Ferguson y un sistema de análisis matemático demostrativo de que el efecto Ferguson es cierto en la parte izquierda de la parábola antes referida, en que la relación es aproximadamente rectilínea, pero que falla al progresar la serie homóloga. Una alternativa al análisis de Hansch es la desarrollada por Free y Wilson, quienes logran expresar las actividades de compuestos antimicrobianos en función de los grupos constituyentes de las moléculas. Mediante el estudio informatizado de estas teorías se está logrando la aproximación teórica al conocimiento de las actividades farmacológicas y tóxicas de los compuestos químicos, en términos cuantitativos, para lo que se proponen continuamente nuevos programas informatizados con la pretensión de obtener cada vez mejores conclusiones de la comparación de los distintos parámetros. BIBLIOGRAFÍA Albert A. Selective toxicity. Londres, Methven-Co., 1975. Alberts B, Bray D, Lewis J, Raff M, Roberts K, Watson JD. Molecular biology of the cell. 2ª. ed. New York, Garland Pub, Inc, 1989. Alison MR, Sarraf CA. Apoptosis: regulation and relevance to toxicology. Human Experimental Toxicol, 1995; 14:234-247. APOPercentajeTM Assay. Biocolor, Ltd. UK. 2004. Avendaño MC. Introducción a la Química Farmacéutica. Madrid. McGraw-Hill-Inter-Americana. 1993. Ballantyne B, Marrs T, Turner P. General and applied toxicology. Wimbledon, MacMillan Press, 1993. Boelsterli UA. Mecanistic toxicology. 2ª ed. 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Agentes: gases, vapores, polvos y líquidos cáusticos: ácidos, álcalis, NOx, SOx, halógenos y sus óxidos, fosgeno, derivados de As, P, aldehídos: formaldehído, acroleína; alquitranes, diazometano, metilisocianato. Estos mismos agentes, y las saponinas, ricino, toxinas bacterianas, sales de Hg, Pb, Bi, etc., producen irritación y causticación gastrointestinal. 3.1. Anoxia: por disminución de la presión parcial de oxígeno: CO2, nitrógeno, metano, propano, butano. 3.2. Asfixia. 3.2.1. Interferencia del transporte de oxígeno. 3.2.1.1. Bloqueo de la hemoglobina: CO. 3.2.1.2. Transformación de la hemoglobina en metahemoglobina, por oxidación de Fe++ a Fe+++: oxidantes débiles, nitritos, aminas. 3.2.1.3. Reducción de la presión sanguínea: nitrobenceno. 3.2.2. Inhibición de la oxidación: inactividad de las enzimas respiratorias (citocromos): CNH, nitrilos, iones sulfuro y fosfuro. 4. Alteraciones hemáticas 2. Alteraciones de la permeabilidad capilar Arsénico, fósforo, colchicina, mostaza, cantáridas, alcaloides del cornezuelo del centeno (ergoto- 4.1. Afectación medular: anemias: citopenia, leucopenia, trombopenia; granulopenia: radio, benceno, nitrobenceno, aminas y amidas (sulfamidas, piramidón, anilina, fenacetina), cloranfenicol, As. 219 07 toxicologia alim 24/11/08 14:09 Página 220 220 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL 4.2. Hemolisis: ácido acético, oxálico, fenoles, sulhídrico, oxidantes. Arsina, estibimina. 4.3. Alteración de la hemo globina: CO, CN–, SH2, oxidantes, amidas (metahemoglobilizantes), Pb, Cu, nitrobenceno, anilina, nitroglicerina. 4.4. Alteraciones plasmáticas: desequilibrio acidobásico: acidosis. Cloroformo, éter, metanol, ácidos. Salícílico. a) Afectación de las conexiones con la musculatura lisa: por acción de sustancias como: 5. Alteraciones dérmicas b) Afectación de las conexiones con la musculatura estriada. Acción: Irritantes, cáusticos, corrosivos. Eccemas: disolventes, detergentes, lejías, enzimas, metales, radiaciones. Níquel. Acné: organoclorados alquitrán, dioxinas, aerosoles de grasas y taladrinas. Despigmentación: quinonas, fenoles, As, Hg. Pigmentación: As, organohalogenados, Ag, Bi, tetraciclinas. Fotosensibilización y fotoalergia: alquitranes, tetraciclinas. Cáncer cutáneo: As, Ni, radiaciones, luz solar, rayos PUVA. 6. Patologías tóxicas en el aparato digestivo Irritantes, cáusticos, corrosivos; sustancias que modifican la permeabilidad capilar. Estimulantes e inhibidores del sistema nervioso vegetativo. Eméticos, laxantes, toxinas bacterianas, toxinas del fitoplancton (DSP), metales, As. 7. Trastornos de la conducción nerviosa Por alteración de la irrigación, fosfolípidos, transmisores químicos y/o enzimas, se produce: 7.1. Aumento: neuritis, temblores, convulsiones: Pb, Ta, Mn, Ba, fosfatos orgánicos. 7.2. Disminución: depresión, anestesia, parálisis: hidrocarburos y sus halogenuros. La depresión del SNC también deprime la respiración y la circulación. Pueden quedar secuelas permanentes por desmielinización, etc. Los trastornos tóxicos de la conducción nerviosa pueden ser: α) Mediadores del sistema simpático; fenilaminas; adrenalina, anfetamina, mezcalina, ergotoxina, yohimbina. β) Mediadores del sistema parasimpático: muscarina, pilocarpina, atropina, hioscina, escopolamina. α) Excitante: derivados nicotínicos. β) Paralizante: curare, cicuta, aconitina. c) Afectación de las sinapsis intraganglionares vegetativas: nicotina, cicutina, que en pequeñas dosis son excitantes y en grandes dosis son paralizantes. d) Afectación de la capa de lípidos (vaina de mielina) envolvente de las conducciones y estructuras nerviosas, con modificación de su constante dieléctrica: hidrocarburos, cloropicrina, plaguicidas clorados, tetracloruro de carbono, CO2. Son los anestésicos y depresores del SNC. Pueden producir vacuolas irreversibles en el tejido nervioso, con graves secuelas de parálisis. e) Afectación de los mecanismos enzimáticos responsables de la síntesis y destrucción de los mediadores químicos, especialmente MAO y aceltilcolinesterasa (plaguicidas organofosfatos y carbámicos). Afectación de otras enzimas (NTE). En resumen: neuronopatía, axonopatía, mielinopatía, afectación transmisión, miopatía y vasculopatía. 8. Alteración de la función pulmonar 8.1. Alteración de la permeabilidad alveolar: por edema, fibrosis, enfisema, neumoconiosis, fiebre del soldador, cáncer: gases, vapores y polvos múltiples. Vapores metálicos. Hidrocarburos halogenados, hidrocarburos policíclicos. SH2, NH3, O3, carbonilo de níquel. Irritantes. Fosgeno. Formaldehído. 8.2. Alteración de la tensión superficial: colapso alveolar: grasas, disolventes, detergentes. 07 toxicologia alim 24/11/08 14:09 Página 221 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO 8.3. Alteración de los mecanismos de limpieza pulmonar. 8.3. 1. Acción sobre el moco: espesamiento: SO2. 8.3.2. Deterioro de los cilios: SO2, NO2, aldehídos, metales. 8.4. Depresión del centro nervioso respiratorio: morfina, toxina botulínica, hidrocarburos. 8.5. Inhibición vagal: olores pestilentes, SH2 (muerte fulminante). 8.6. Tetanización de la musculatura respiratoria: estricnina, toxina tetánica. 8.7. Disnea (dificultad respiratoria): oxidantes, ozono, gases asfixiantes. 8.8. Disnea psicógena: por olores diversos, perfumes, ambientadores. 8.9. Disnea por broncoconstricción: asma; olores, polvos, vapores, gases irritantes, alergizantes, aminas, isocianatos (resinas, pegamentos). 8. 10. Tos, bronquitis: fase precoz de los procesos anteriores. 221 12. Alteraciones gonadales Originadas por afectación del eje neuroendocrino, a cualquier nivel, o de las propias gónadas, por psicofármacos, esteroides, ésteres del ácido metanosulfónico, ésteres glicidílicos, nitroderivados aromáticos, derivados de la urea, antimitóticos, trifenilmetileno, metales como Cd, Pb, etc. Gosipol. Dibromocloropropano. Ciproterona, espironolactona. Hormonas sexuales, aceites esenciales vegetales, insecticidas, ergotoxinas, P, Pb. 13. Alteraciones auditivas y del equilibrio Lesión sobre el nervio auditivo: Hg, Pt, oxidantes (bromatos). Afectación de la linfa: diuréticos (etacrínico, furosemida), cloroquina, fenotiazinas. Lesión del nervio vestibular: quinina. Ambos nervios: antibióticos aminoglucósidos. 9. Alteraciones hepáticas Alteración del metabolismo, adiposis, atrofia, ictericia, cirrosis, cáncer: alcoholes, tetracloruro de carbono, compuestos orgánicos halogenados, de fósforo o de arsénico, cloruro de vinilo monómetro; setas de la especie phalloides. Esteroides. Acetaminofeno. Pirrolizidinas. Aflatoxinas. Cocaína. 10. Alteraciones renales Nefritis, nefrosis, anuria, uremia: fósforo, mercurio, plomo, oxálico, glicoles, fenoles, fenacetina, lacas. Tumores de vejiga por aminas. Nefropatías directas (por contacto u obstrucción) y alérgicas. Cd. Hidrocarburos halogenados. 11. Alteraciones de la función cardíaca Fluoruros orgánicos e inorgánicos, freones, digital, estrofanto, nicotina, emetina, aconitina. Biotoxinas. Cafeína. Alcohol. Anfetaminas. Cocaína. Antidepresivos tricíclicos. Cobalto. 14. Alteraciones oculares Polvos, irritantes, metanol, plomo, talio, toxina botulínica, atropina. Afectación en: conjuntiva, cristalino, nervio óptico y nervios de la acomodación. Visión doble o borrosa, ceguera. Nistagmo. 15. Alteraciones en el sistema musculoesquelético Debilidad muscular y parálisis: As Pb, Ta, mercuriales orgánicos, organofosforados, organoclorados, carbamatos, piretroides. Diuréticos, laxantes en exceso. Toxina botulínica, saxitoxina, PSP. Temblores musculares: Mn, Pb, organofosforados. Artralgias: As, Pb. Osteoesclerosis, osteomalacia: F, Cd. Osteonecrosis: P. Osterosarcoma: radiaciones ionizantes. 07 toxicologia alim 24/11/08 14:09 Página 222 222 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL FISIOPATOLOGÍA GENERAL DE CAUSA TÓXICA Los mecanismos bioquímicos de toxicidad molecular que hemos considerado pueden afectar las estructuras biológicas mediante más de un proceso y tanto de forma intracelular como extracelular, pero con determinada selectividad hacia ciertos órganos o sistemas. El paso del estado normal o fisiológico al de afectación o patológico se conoce como proceso fisiopatológico, que presenta diferentes características según el sustrato anatómico o sistema fisiológico alterado. Además, hay que tener en cuenta que una vez que se produce la lesión celular, si ésta no es reversible, la célula puede desarrollar una respuesta intracelular o, por el contrario, puede producirse una respuesta extracelular a la célula dañada. La respuesta intracelular puede ser de tipo degenerativo o de tipo proliferativo; en el primer caso disminuye el tamaño de las células y el tamano y número de sus orgánulos; en el segundo caso se produce un aumento de ellos. A veces, las células dañadas pueden ser sustituidas por otras de su misma clase, en un proceso de regeneración dentro del de proliferación; esta capacidad es muy diferente de un tejido a otro; así, es muy grande en la mucosa intestinal y es posible en el hígado, pero es raro en las neuronas o en las fibras miocárdicas. La respuesta extracelular es una reacción del tejido sano para expulsar o reparar las células dañadas; comienza por la inflamación (edema) y aumento de permeabilidad, etc., y puede terminar con la modificación del tejido. Cuando no es fácil o posible la regeneración, ya sea porque la lesión fue muy grande o porque las células dañadas son muy especializadas y no se regeneran suficientemente, se desarrolla un nuevo tejido conectivo, conjuntivo o de sostén. En la inflamación, especialmente en la crónica, se acumulan fibroblastos, las células encargadas de formar las fibras de colágeno del tejido conjuntivo; posteriormente, los fibroblastos se transforman en fibrocitos inactivos y el colágeno se retrae, contrayendo la zona como en las cicatrices, lo cual puede originar trastornos funcionales; el proceso denominado fibrosis rellena el espacio de las células dañadas, sin recuperar su función. En realidad todas las células y tejidos de un ser vivo son susceptibles a la acción nociva de los tóxicos, aunque en la práctica se observe que ciertos órganos experimentan más intensamente las acciones de unas sustancias que otros; por ello se distinguen órganos diana para cada tóxico. Esta organoespecificidad puede explicarse atendiendo a varios factores o circunstancias, como son: a) Lugares de entrada, salida y más intensa biotransformación de los xenobióticos, porque allí el tóxico está en mayores concentraciones y persistirá mayor tiempo en contacto con los tejidos. b) Factores que dependen de las características fisicoquímicas del xenobiótico o sus metabolitos (como pKa, liposolubilidad, reactividad con proteínas transportadoras, etc.), todos los cuales influyen en la cinética de distribución, tropismo de cada tóxico hacia órganos determinados (lo que depende de la afinidad del tóxico por los componentes mayoritarios del órgano; así los compuestos lipófilos se acumularán en los tejidos grasos, mientras que los hidrófilos se excretan fácilmente por la orina, etc.). c) Diferencias en la trascendencia del papel fisiológico que juegan algunas biomoléculas o enzimas en unos u otros tejidos, y que al ser afectadas por los tóxicos producen más o menos daño en cada órgano; así la alteración de los fosfolípidos de las neuronas es más nocivo que en otras células, al igual que la causticación de las proteínas de la papila óptica, la lesión de las células hematopoyéticas medulares, la reacción con xenobióticos de la cisteína del cristalino o la melanina del iris, etc. d) Actividades propias o fisiológicas de cada órgano o tejido: la intensa actividad metabólica ordinaria del hígado también favorece la generación local de metabolitos reactivos; las funciones secretoras y de reabsorción de los túbulos renales permite el contacto con altas concentraciones de tóxico; los tejidos con gran intensidad de renovación celular (frecuencia de mitosis), como las células tumorales, las de la médula ósea, los folículos pilosos, las del epitelio gastrointestinal, etc., son más sensibles a los compuestos antitumorales. e) Diferencias locales orgánicas en la intensidad de la biotransformación de un xenobiótico a metabolitos más o menos tóxicos (toxificación o destoxicación), intensidad que puede variar de una zona a otra de un mismo órgano. Esto depende de la actividad de las enzimas locales y de particulares vías metabólicas más activas en un lugar que en otro; 07 toxicologia alim 24/11/08 14:09 Página 223 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO también influye el que las enzimas hayan sido activadas, inducidas o inhibidas por otros xenobióticos. f) Disponibilidades locales de moléculas (como glutatión, proteíntioles, etc.) con capacidad defensiva frente a los reactivos electrofílicos. g) Lesiones previas de origen tóxico, infeccioso o traumático en algún órgano. h) Distinta capacidad regenerativa de los órganos o tejidos. CICLO CELULAR Incluye la mitosis o división celular, para el crecimiento o reemplazo de las células eliminadas por apoptosis, y la proliferación, que pretende la reparación y regeneración del tejido dañado. Abarca todo el proceso de la división celular, tanto en núcleo como el transporte de señales desde los receptores de la membrana plasmática al citoplasma, y de allí al núcleo, donde se activan genes relacionados con el proceso. El ciclo celular incluye distintas fases: la G0 es de descanso o quiescencia; en la fase G1 la célula se prepara para la síntesis de ADN, lo que hace en fase S; en la G2 la célula se prepara para la mitosis, y en la M se produce la mitosis o separación de dos células hijas. En el proceso, la célula tiene tres alternativas: se divide, se paraliza la división (senescencia) o se produce apoptosis. Los xenobióticos pueden influir en estos procesos bien inhibiéndolos o bien estimulándolos. Los receptores de membrana funcionan con tirosina quinasas, y las señales del citoplasma al núcleo por las proteínas quinasas activadas por mitógenos (MAP); posteriormente intervienen las quinasas dependientes de ciclina (CDK), a su vez controladas por ciclinas. El ciclo es controlado en distintos puntos específicos y cuando se detecta una señal de alarma se interrumpe. Las citadas quinasas son enzimas que atacan covalentemente y fosfatan a restos de serina, treonina o tirosina de proteínas específicas, con lo que desencadenan cascadas de acontecimientos bioquímicos; sus iniciadores pueden ser citoquinas, factores de crecimiento, xenobióticos y especies reactivas de oxígeno (ROS), todos los cuales han sido denominados factores de estrés (hay estrés oxidativo y otras formas de estrés). La iniciación de la cascada comienza a menudo por la dimerización de una quinasa que, a su vez, 223 fosforila a otra inactiva, que se activa y a su vez activa a otra. Al final de la cascada, las quinasas reciben el nombre de proteínas quinasas mitóg eno activadas (MAPK). Por inactivación de las fosfatasas se activan indirectamente las cascadas de proteín quinasas; el equilibrio entre fosforilación y desfosforilación es mantenido por la familia de proteín fosfatasas, cuyo centro activo posee un resto de cisteína. El correspondiente grupo sulfhidrilo de la tirosina fosfatasa es diana de los compuestos orgánicos de estaño que, al bloquear a aquel dispara la actividad de las quinasas. La intervención de xenobióticos puede desequilibrar la vía de transmisión, lo que se manifiesta como toxicidad al promover proliferación celular, interrupción del ciclo celular, apoptosis o iniciación neoplásica. Un xenobiótico que puede servir de ejemplo es el plastificante dietil-(2-etilhexil)ftalato (DEHP) capaz de activar distintos mecanismos de toxicidad, el más importante de los cuales lleva a la atrofia testicular, pues el metabolito monoetil-(2etilhexil)ftalato lesiona las células de Sertoli y células germinales y atrofia los tubos seminíferos. La disrupción de las funciones del factor de transcripción también puede ser realizada por metales no esenciales que actúan sobre el sensor de metales. Este sensor es miembro de la familia de factores de transcripción y realiza una función protectora de la toxicidad de los metales. Los metales esenciales son constituyentes de las proteínas y también están unidos a las metalotioneínas (MT), pero pueden resultar tóxicos cuando en la célula se encuentren como iones en estado libre y superen determinadas concentraciones críticas; esto ocurre, por ejemplo, con el cinc que llega a activar al sensor de metales o factor de transcripción unido al elemento de respuesta a metales (MTF-1), que emigra al núcleo y activa a genes implicados en la homeostasis de metales, al expresar sustancias tales como la metalotioneína, MT. Pero otros metales, como el cadmio, pueden desplazar al cinc de sus sitios de unión, que tienen para el Cd mucha mayor afinidad que para el Zn; el Zn2+ liberado activa los MTF-1, que induce la respuesta al estrés; de esta forma, el MTF-1 actúa como un sensor de metales tóxicos. 07 toxicologia alim 24/11/08 14:09 Página 224 224 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL FISIOPATOLOGÍA TÓXICA EN LOS VASOS SANGUÍNEOS La figura 7.1 resume el esquema de la circulación sanguínea. Desde el ventrículo izquierdo la sangre es bombeada a las arterias, arteriolas y capilares desde los que el plasma sanguíneo pasa a los tejidos; esta salida se realiza gracias a la presión hidrostática (la que un fluido ejerce sobre las paredes de la vasija que lo contiene) de la sangre, y se produce hasta que se equilibra con la del líquido intersticial. A la inversa, las proteínas del plasma ejercen una atracción o presión oncótica o coloideosmótica sobre el líquido intersticial (del espacio entre las células propias del tejido), que determina el regreso del agua y solutos desde los tejidos a la sangre a través de capilares, vénulas y venas que la conducen a la aurícula derecha del corazón. Todo este entramado de vasos sanguíneos, que recibe en su conjunto el nombre de lecho vascular, forma un sistema cerrado de conductos que funciona como circuitos en paralelo, y cuya integridad juega un papel primordial en la salud. Recordemos que los vasos sanguíneos capilares (arteriolas y vénulas) tienen una estructura bastante uniforme, con paredes constituidas por dos capas: el Cabeza, brazos Encéfalo Corazón izq. Pulmones Aorta Arteria hepática Bazo, tubo digestivo Hígado Vena porta VASCULOPATÍAS i y t Corazón der. endotelio, que es un epitelio plano muy delgado, con una única capa de células, generalmente de forma romboidal, y una membrana basal, conectiva elástica, rodeada de una vaina de fibrillas de reticulina dispuesta circularmente alrededor del vaso. Por su parte, la estructura de las arterias, y sobre todo de las venas, es menos uniforme y puede variar en los distintos órganos, pero fundamentalmente están compuestas por tres capas: 1º la íntima o endotelial, en contacto con la sangre, 2º la capa media, resistente y con componentes musculares y 3º la externa o adventicia, con pocas fibras musculares, que conecta el vaso con el tejido conjuntivo circundante. Las vasculopatías más importantes son las vasculitis, la obstrucción, la rotura y el aumento de la permeabilidad, y de menor entidad, la vasoconstricción, el vasoespasmo y la vasodilatación, y dado que la irrigación sanguínea aporta a todos los órganos y tejidos el oxígeno y nutrientes imprescindibles, cualquiera de aquellas alteraciones se puede traducir en importantes patologías estructurales y funcionales para cada órgano. La vasculitis o inflamación de las paredes de los vasos puede ser originada por infección, patología inmunitaria (depósito de inmunocomplejos), agentes físicos (radiaciones, traumatismos) o agentes químicos (tóxicos), y puede dar lugar a muy diversas manifestaciones clínicas en los diferentes órganos. Cuando la vasculitis es intensa se dificulta el riego sanguíneo que, como ocurre con la obstrucción, puede ocasionar infarto o necrosis en la zona que queda sin irrigación (Fig. 7.2). Tóxica Inmunitaria • OBSTRUCCIÓN • AFECTACIÓN ENDOTELIO – SH Riñoñes Tronco, piernas Figura 7.1. Esquema de la circulación sanguínea. Edema hemorragia As, Hg, Pb TI, Al, Cd Figura 7.2. Vasculopatías de causa tóxica. 07 toxicologia alim 24/11/08 14:09 Página 225 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO Los agentes adrenérgicos o estimulantes provocan vasoconstricción (conducente a dificultad de riego e hipertensión) al actuar sobre la musculatura de las paredes de los vasos, mientras que los agentes relajantes dan lugar a vasodilatación. Las sustancias irritantes y los compuestos de metales que forman sulfuros estables (arsénico, cadmio, mercurio, plomo, etc.) con los grupos tioles de las células del endotelio, abren poros en las paredes de los vasos produciendo un aumento de la permeabilidad; según el tamaño del poro puede salir de la sangre simplemente plasma, lo que da lugar a edemas en los lugares donde se acumula el líquido, o también hematíes que forman petequias o punteados hemorrágicos, e incluso salida de sangre total orinando hemorragias. El aumento de la permeabilidad en los vasos del intestino por sustancias irritantes, biotoxinas alimentarias, alergenos y otros muchos tóxicos, permite la salida de gran cantidad de plasma, que origina diarreas y disminución del volumen de la sangre circulante (hipovolemia), que conduce a hipotensión y a choque o shock. Particular interés presentan las lesiones vasculares que aparecen en los principales órganos (corazón, cerebro, pulmón, riñón, etc.) de los consumidores de drogas de adicción. Como consecuencia del efecto adrenérgico de la cocaína y de los compuestos de la familia de las anfetaminas, se produce vasoconstricción y vasoespasmo en los vasos cerebrales y coronarios, que pueden conducir a infartos. Los dos principales metabolitos de la cocaína, la benzoilecgonina (que se forma por hidrólisis química espontánea de la cocaína) y la ecgonina-metiléster (originada por hidrólisis enzimática) son inactivos a efectos de drogadicción, pero se ha visto que la benzoilecgonina altera el flujo del calcio a través de las membranas y también origina vasoespasmo, y dado que tiene una larga vida media en el organismo, se la considera culpable del infarto de miocardio que se presenta, a veces, horas después del consumo de la droga (Karch, 1996). En cadáveres de intoxicados por cocaína o derivados anfetamínicos se puede ver vasculitis; las células endoteliales se agrandan, y pueden romperse una o varias capas de las paredes arteriales y pasar sangre a los espacios entre las capas, o bien romperse todas ellas y producirse hemorragias. En arteriolas y vénulas puede aparecer necrosis fibrinoide de las capas íntima y media, así como infiltrados celulares formados por linfocitos, neutrófilos y macrófagos espumosos. 225 ALTERACIONES DE LA RESPIRACIÓN CELULAR. GASES DE ESPECIAL INTERÉS TOXICOLÓGICO El proceso respiratorio de las células se realiza gracias al oxígeno transportado por la hemoglobina de la sangre, que debe ser activado por los citocromos a partir de la forma molecular O2. Por tanto, los elementos indispensables son: suficiente concentración (expresada como presión parcial, pO2) de oxígeno en el ambiente, riego sanguíneo y hemoglobina, y citocromos funcionantes; la alteración de alguno de estos elementos puede dar lugar a las siguiente situaciones patológicas: 1. Anoxia Del griego, falta de oxígeno. Se produce como consecuencia de disminución de la presión parcial del oxígeno por cualquiera de las siguientes causas: 1.1 Encontrarse a gran altura sobre el nivel del mar, con baja presión atmosférica (alta montaña, avión con cabina sin acondicionar, etc.). 1.2 Consumo del oxígeno ambiental, por causas respiratorias de plantas o animales o por combustiones, o bien por su dilución, particularmente en un recinto cerrado, a consecuencia de la acumulación de gases relativamente inertes, como nitrógeno, dióxido de carbono, metano, propano, butano, etc. El dióxido de carbono o anhídrido carbónico es poco tóxico, forma parte de nuestra atmósfera natural, y permite la vida mientras la concentración no sea muy alta; es, incluso, estimulante del centro nervioso respiratorio. El metano se forma en la fermentación de la celulosa, por lo que se conoce como gas de los pantanos y de las minas (grisú), donde su acumulación provoca explosiones; se puede vivir en atmósferas con el 80 % de metano y 20 % de oxígeno. Propano y butano son también poco tóxicos (excepto cuando su combustión es incompleta, véase más abajo), y sólo ligeramente neurodepresores; sin embargo, la inhalación deliberada de altas concentraciones de butano, como por ejemplo, la que se produce en una bolsa 07 toxicologia alim 24/11/08 14:09 Página 226 226 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL al vaciar la carga de un encendedor o mechero con fines de drogadicción, puede provocar infarto de miocardio y daño cerebral (Nelson, 1998). Estos gases son denominados por algunos autores asfixiantes simples. 2. Asfixia (Hipoxia) Consecuente con alguno de los siguientes mecanismos: a. Interferencias en el transporte del oxígeno a.1. Bloqueo de la hemoglobina. La hemoglobina es el pigmento rojo de los hematíes; está constituida por la porfirina conocida como hemo unida a moléculas de la proteína globular globina. Las porfirinas son compuestos planos formados por la asociación de cuatro anillos de pirrol (heterociclos pentagonales con un átomo de nitrógeno) HC || HC CH || CH N H pirrol enlazados por grupos metilénicos (–CH=); se unen a metales formando las metaloporfirinas, que en caso del hierro se conoce como hem o hemo, grupo prostético que al unirse a globina forma la hemoglobina. Los cuatro pirroles se disponen en un plano alrededor del átomo de hierro, al cual se enlazan a través de los átomos de nitrógeno, mediante valencias primarias o mediante enlaces coordinados. En situación fisiológica el átomo de hierro es bivalente (Fe++). Derivados profirínicos son la protoporfirina, la uroporfirina y la coproporfirina, que en pequeñas cantidades se eliminan ordinariamente tanto por orina como por las heces. La eliminación se hace mayor tras la exposición a diversos metales (plomo, arsénico, cobalto, mercurio, oro, etc.) o a tóxicos orgánicos como benceno, hexaclorobenceno, cloruro de metilo, tetracloruro de carbono, barbitúricos, cloroquina, estrógenos anovulatorios, griseofulvina, sulfamidas, etc. como consecuencia de que estas sustancias originen interferencia en la síntesis del hem (inducción o por el contrario inhibición de alguna de las enzimas que intervienen en la síntesis, y por tanto aumento de la síntesis o bien interrupción del proceso con acumulación de las porfirinas intermedias) o causen lesión hepática. El incremento de la presencia (en excretas, tejidos, piel, huesos, dientes) y eliminación de las porfirinas, en ocasiones por causa genética, se denomina porfiria, y se manifiesta clínicamente con dolores abdominales, alteraciones nerviosas centrales, vegetativas y psiquiátricas, manchas dérmicas, fotosensibilidad cutánea, etc. (véanse los apartados de patologías tóxicas de hígado y de piel). Por tanto, la hemoglobina es una proteína globular formada por cuatro unidades de hemo, que es un derivado de la porfirina, unidas a cuatro moléculas de polipéptidos conocidos como globina; cada unidad de hemo está constituida por un anillo pentagonal heterocíclico de pirrol, con un átomo de nitrógeno. Las cuatro unidades de hemo se disponen en un plano alrededor de un átomo de hierro, al cual se enlazan a través de los átomos de nitrógeno, mediante valencias primarias o mediante enlaces coordinados. En situación fisiológica el átomo de hierro es bivalente (Fe ++ ), constituyendo una ferrohemoglobina (Hb), y se une a una molécula de oxígeno, en proporción 1:1, formando oxihemoglobina (O2-Hb) mediante oxigenación, que no es una oxidación, pues el hierro permanece bivalente. En el músculo existe una cromoproteína similar a la hemoglobina, que recibe el nombre de mioglobina. Cuando se eleva la temperatura o la acidez (baja del pH por efecto del anhídrido carbónico, CO2), se disocia y libera el oxígeno. Algunas sustancias, como el monóxido de carbono, son capaces de unirse fuertemente al hierro bivalente y bloquear la capacidad de la hemoglobina para transportar el oxígeno. Posee algunas características comunes con el óxido nítrico (NO) (véase a continuación), aunque éste no se une al hierro, sino a la globina. Por esta razón, el monóxido de carbono (CO) es la principal causa de mortalidad por intoxicación en numerosos países. Este gas se origina en la combustión incompleta, por falta de apropiada mezcla con el oxígeno, de compuestos orgánicos sólidos, líquidos o gaseosos (carbones, gasolinas, propano/butano, etc.); cuando para la combustión hay suficiente propor- 07 toxicologia alim 24/11/08 14:09 Página 227 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO ción de oxígeno (una molécula de éste por cada átomo de carbono) se origina dióxido de carbono: CnH n + n O2 → CO2+ H2 O pero cuando la proporción es menor, se produce el monóxido: C4H4 + 3 O2 → 4 CO + 2 H2 O El CO estaba presente en alta proporción en el antiguo gas urbano o gas ciudad, usado para calefacción e iluminación, obtenido por destilación del carbón, pero no en el llamado gas ciudad actual, que es una fracción del petróleo. También se forma en reacciones químicas (por ejemplo del ácido sulfúrico sobre el formaldehído), o en el metabolismo de sustancias como el diclorometano (cloruro de metileno), líquido muy volátil que se absorbe fácilmente tanto por vía respiratoria como cutánea, y puede llegar a originar concentraciones de carboxihemoglobina de hasta el 50 %. La enzima hemooxigenasa, presente en neuronas y otras células puede liberar CO. El fosgeno (COCl2), que ha sido usado como gas de guerra, puede romper su molécula por calor o por hidrólisis; en el primer, caso origina monóxido de carbono y, en el segundo, dióxido: i e y e t COCl2 > 300 ºC → CO + Cl2 + H2O → CO2 + 2 HCl Tradicionalmente se ha considerado un único mecanismo de acción tóxica que se inicia por la unión del CO con el hierro bivalente de la hemoglobina su sustrato fisiológico, con la que tiene una afinidad casi 250 veces mayor que la del oxígeno, y origina un carbonilo de hierro; se forma así carboxihemoglobina (COHb), que impide que la hemoblobina transporte el oxígeno desde el pulmón hasta los tejidos, en forma de oxihemoglobina, con producción de una hipoxia tisular, que ha sido denominada «anemia funcional». Pero se sabe hoy que el proceso es más complejo, con participación de otros mecanismos que se desarrollan tanto en fase de asfixia como en la pos- 227 terior de reperfusión, lo que dificulta el pronóstico del intoxicado. Cuando tras la asfixia o la interrupción de llegada de sangre, oxígeno o nutrientes a un tejido, vuelve a haber irrigación, lo que se conoce como reperfusión, no se produce una simple vuelta a la normalidad, porque se provoca una liberación de radicales libres, con situación de estrés oxidativo, inflamación y lesiones en membranas celulares, proteínas y ADN. Un factor de confusión es la gran variabilidad individual de la vida media de la COHb, que en voluntarios mantenidos a presión atmosférica ordinaria oscila entre 2 y 7 horas (media 5), por lo que los nomogramas existentes no permiten predecir la evolución. En el feto la vida media es 3.5 veces mayor que en la madre, y la concentración de COHb en ésta no es representativa de la del hijo. Los mecanismos que principalmente se consideran hoy son los siguientes: a. La presencia del CO provoca una disminución del contenido de oxígeno en la sangre arterial, aunque exista una adecuada presión parcial de oxígeno (pO2); además, altera la curva de disociación de la oxihemoglobina, con disminución de la liberación de oxígeno desde la OHb en los tejidos. Esto puede ser debido a una disminución de la concentración de 2,3-difosfoglicerato en los hematíes. b. El 15 % del CO retenido en el cuerpo no está en la sangre porque, en condiciones de hipoxia y de hipotensión, se une a otras proteínas distintas de la hemoglobina. En baja proporción se une a la citocromo-oxidasa mitocondrial, pero además desplaza al óxido nítrico (NO) de las plaquetas, el cual, en la fase de recuperación del efecto inicial, se oxida a peroxinitrito, que es productor de radicales libres e inhibidor de dicha enzima. Como consecuencia de esta inhibición se lesiona el endotelio de los microvasos cerebrales, lesiones que atraen leucocitos, que se adhieren al endotelio; los leucocitos liberan proteasas que activan a la xantina-oxidasa, la cual favorece la formación de radicales libres de oxígeno, que dan lugar a peroxidación lipídica en las células de la sustancia blanca cerebral. c. El CO también se une a la mioglobina (hemoproteína similar a la hemoglogina, aunque incolora, presente en el músculo, al que transfiere 07 toxicologia alim 24/11/08 14:09 Página 228 228 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL el oxígeno); la formación de carboximioglobina, y particularmente la de carboximiocardioglobina, incluso frente a niveles de sólo 6 % de COHb, en individuos con trastornos cardíacos previos, puede originar alteraciones de ritmo e isquemia de miocardio. De hecho, se admite que la mortalidad aguda por CO se debe normalmente a disritmias ventriculares. La afectación muscular se detecta en el análisis clínico por elevación en suero de la creatinquinasa (CK); en ocasiones se produce rabdomiolisis. d. El CO actúa como neuromensajero y activa a la guanilciclasa, que participa en la relajación del músculo liso, y se produce vasodilatación. También, como hemos dicho, libera al NO de las plaquetas, que es un potente vasodilatador. Como consecuencia de ambas acciones, tiene lugar hipotensión arterial, que puede originar síncope, pérdida de consciencia y empeoramiento del intoxicado. Mediante experimentación con animales se ha encontrado mejor correlación entre las lesiones en la sustancia blanca cerebral y la hipotensión que con el porcentaje de COHb. La peroxidación lipídica en las células cerebrales se desarrolla una hora después de superado el síncope y la hipotensión, tiempo necesario para que el estrés oxidativo, que se inicia con la reperfusión, se manifieste con destrucción de mitocondrias. Además, el CO provoca un incremento de glutamato, aminoácido excitador del SNC, el cual induce liberación del calcio intracelular, que desencadena la cascada de daño retardado neuronal. Las secuelas retardadas (semanas después de la exposición) incluyen lesiones en la sustancia blanca cerebral, que pueden objetivarse por tomografía axial computarizada (TAC) y en la autopsia, donde pueden apreciarse zonas de necrosis. Los individuos sobrevivientes de intoxicaciones graves suelen presentar secuelas retardadas neurológicas y neuropsiquiátricas. Se consideran factores de riesgo la edad temprana (niños pequeños) y la superior a 50 años, así como enfermedades cardiovasculares y pulmonares. La determinación analítica de carboxihemoglobina en sangre total puede realizarse por espectrofotometría visible y por coximetría (en el análisis general de oxihemoblogina, metahemoglobina, etc.); mediante acidificación de la muestra de san- gre se libera el CO, que se puede valorar mediante espectrofotometría infrarroja o por cromatografía gaseosa. Una correlación aproximada entre la concentración de carboxihemoglobina, expresada como porcentaje en relación con la hemoglobina total, y la situación circunstancial y clínica del sujeto, es la siguiente: < 2 %: no fumadores, vecinos rurales, 2-4 %: fumadores pasivos, 5-10 %: fumadores, 12-20 %: intoxicación leve a moderada; cefaleas, etc. (simula gripe), 20-30 %: intoxicación aguda (simula intoxicación etílica), 50-70 %: coma, >70 %: muerte rápida. En los cadáveres de los quemados con frecuencia no se encuentra una carboxihermoglobina alta, como sería de esperar, en cuyo caso la muerte suele atribuirse a inhibición respiratoria o a shock. El mejor procedimiento terapéutico de la intoxicación por CO, después de separar al intoxicado de la atmósfera contaminada y hacerle respirar aire rico en oxígeno, es introducirle en una cámara hiperbárica (pulmón de acero), con alta presión de oxígeno para que desplace al CO, conforme a la ley de acción de masas. a.2. Formación de metahemo globina. Los oxidantes débiles (como los nitritos y las aminas) son capaces de oxidar el hierro bivalente (Fe2+) de la hemoglobina y pasarlo a trivalente (Fe3+), dando lugar a la metahemoglobina (MetHb). Esta forma de hemoglobina no es útil para el transporte de oxígeno, por lo que las células del organismo experimentarán hipoxia. Normalmente, a causa de los tóxicos que se absorben, en el ser humano hay un 2 % de hemoglobina en forma de metahemoglobina. a.3. Rotura de hematíes: hemólisis. La formación de metahemoblobina por los oxidantes y la alteración del equilibrio de oxidación-reducción dentro del glóbulo rojo pueden conducir a la rotura de éste, y por tanto a su incapacitación para transportar el oxígeno. Esto ocurre, por ejemplo, en la intoxicación con arseniuro de hidrógeno o arsina (AsH3), cuyo mecanismo de toxicidad es diferente al de los restantes 07 toxicologia alim 24/11/08 14:09 Página 229 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO compuestos de arsénico. La arsina es fijada por la hemoglobina y oxidada a dihidruro de arsénico y seguidamente a arsénico elemental (As0). La formación de sulfuro de arsénico por los grupos tioles (SH–) disminuye la formación de ATPasa Na+K+ necesaria para la estabilidad de la membrana, que se rompe y lleva a una anemia hemolítica. Esta también ocurre en el fabismo, denominado así porque se presenta en algunos individuos tras la ingestión de habas, e incluso por la aspiración de su polen o del polvo de la planta durante recolección; también aparece a consecuencia de la absorción de sustancias como antipirina, fenacetina, nitrofurantoína, primaquina, quinina, quinidina, sulfamidas, etc. Los sujetos de esta reacción adolecen de insuficiencia genética de la enzima glucosa6-fosfato deshidrogenasa (G-6-PDH), cuya síntesis es regida por un gen del cromosoma X, por lo que la deficiencia, como la hemofilia, se presenta sólo en varones (en la hembra, cuyo par de cromosomas sexuales es XX, la mutación en un X, culpable de la deficiencia, es compensada por el otro X, lo que no es posible en el varón, cuyo par es XY); la enzima es indispensable para reducir el glutatión, necesario para mantener el equilibrio de oxidación-reducción del hematíe, que en otro caso se rompe. Otros individuos experimentan una hemolisis similar por un proceso alérgico de base genética. a.4. Disminución de la pr esión sanguínea. Los productos vasodilatadores y los que disminuyen la potencia cardiaca, así como situaciones de pérdidas copiosas de sangre o de agua plasmática provocan hipotensión y disminución de la irrigación y, por tanto, del aporte de oxígeno a los tejidos. b. Inhibición de la oxidación: Bloqueo de los citocromos. Recordemos que el oxígeno molecular no interviene directamente en el proceso respiratorio que se desarrolla en las mitocondrias para la producción de energía (ATP), sino que ha de ser activado por la cadena de citocromos, en los que juega un papel fundamental la enzima citocromo-oxidasa, metaloenzima con hierro trivalente (véase Cap. 4, Figura 4.10). Cuando esta enzima es inhibida se interrumpe la respiración celular; entre los tóxicos que realizan esta inhibición destacan los ácidos cianhídrico y sulfhídrico, el fosfuro de hidrógeno, etc. 229 El ion cianuro presente en las sales del ácido cianhídrico, se libera por acidificación, incluso por los ácidos débiles, en forma de dicho ácido, poco disociable y por tanto liposoluble. Como ácido libre se emplea como insecticida y en las llamadas «cámaras de gas»; en forma de sales tiene aplicaciones en los laboratorios, en fotografía y en galvanotecnia. Se libera en la combustión de materiales tanto naturales (lana, seda), como sintéticos (caucho, poliuretano, nitrocelulosa, etc.), lo que supone un importante riesgo de la incineración de plásticos. Los nitrilos, como el acetonitrilo, utilizado como disolvente y, como tal, en los quitaesmaltes de las uñas, son biotransformados con participación del citocromo P-450 en ion cianuro. El nitroprusiato sódico o potásico utilizado como fármaco vasodilatador también se metaboliza a CN¯, y origina intoxicaciones cuya sintomatología puede tardar semanas en aparecer. Los huesos o semillas de diversas frutas como albaricoque, pera, ciruela, así como la almendra amarga, la mandioca, etc., contienen glucósidos cianogénicos, entre los que sobresale la amigdalina (D-mandelonitrilo-β-d-glucósido) que, por hidrólisis ácida (en el estómago) o por la enzima β-d-glucosidasa o emulsina (presente en el producto vegetal), liberan cianhídrico. CH O CHOH CH CHOH O CH2 CHOH O CHOH CHOH CH CHOH CH2OH CH – O – C – C6 H5 H CN La fórmula anterior corresponde al glucósido amigdalina, cuya hidrólisis produce dos moléculas de glucosa y una benzaldehidocianhidrina; ésta, a su vez, libera aldehído benzoico y ácido cianhídrico (HCN). Como consecuencia de su liposolubilidad y bajo peso molecular el ácido cianhídrico se absorbe por todas las vías, y resulta letal para un adulto en una dosis oral de 200 mg, o en una concentración en el 07 toxicologia alim 24/11/08 14:09 Página 230 230 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Compuestos cianogenéticos Estómago Tubo digestivo CNH Pulmón SANGRE CN– SCN HECES CN– SCN– Figura 7.3. Fe3+ de: Tiocianato oxidasa (Peroxidasa eritrocitaria) – ORINA, SUDOR, SALIVA SCN– citocromooxidasa MeHb Hemoglobina (débilmente) y Cu2+ Co: Hidroxicobalamina cianocobalamina ORINA Absorción, biotransformación, excreción y acciones del ion cianuro. aire de 270 ppm. Se puede producir intoxicación crónica en trabajadores y fumadores (Fig. 7.3). Su mecanismo de toxicidad se basa en la capacidad de actuar como inhibidor enzimático no específico (sobre succínico deshidrogenasa, catalasa, glutatión reductasa, glutatión oxidasa, superóxido dismutasa, anhidrasa carbónica etc.) y particularmente sobre la citocromooxidasa, uniéndose al hierro trivalente del citocromo aa3, lo que interrumpe la fosforilación oxidativa. La inhibición de las enzimas defensoras de la peroxidación, conduce a peroxidación lipídica y lesiones en sistema nervioso, principalmente (Kerns y Kirk, 1998). La inhibición de la citocromooxidasa es reversible, como defensa fisiológica, por acción de las enzimas sulfotransferasas, principalmente la ciantiocianatosulfotransferasa o rodanasa, que transforma de forma irreversible el grupo CN en SCN (tiocianato), poco tóxico y fácilmente excretable. El tratamiento clínico tradicional consiste en provocar la formación de metahemoglobina, por administración de un nitrito, para que el Fe3+ bloquee al CN; para esta quelación se propone actualmente el edetato dicobáltico (EDTA-Co 2 ) y la hidroxicobalamina (precursora de la vitamina B12), dado que el ion cobalto se une fuertemente al CN. El sulfuro de hidrógeno o ácido sulfhídrico (SH2) está presente en los gases volcánicos y otros gases naturales; se produce en la descomposición bacteriana (putrefacción) de las proteínas y en la hidrólisis ácida de los sulfuros; se utiliza o se libera en reacciones químicas de laboratorio o de la industria. Es un gas de fuerte olor a huevos podridos, muy liposoluble, por lo que atraviesa fácilmente la membrana alveolar y pasa a la circulación sistémica. Como el CNH, es un potente inhibidor de la citocromooxidasa al unirse al hierro trivalente de la citocromo aa3, lo que lleva a hipoxia celular y, rápidamente a la muerte, aunque la unión al átomo de hierro es más fácilmente reversible que con CO o con el CNH. Sus órganos diana son el centro nervioso respiratorio y el sistema nervioso central. A causa de su lipofilia es absorbido selectivamente por el centro nervioso respiratorio situado en el bulbo raquídeo, al que paraliza, provocando la muerte. Sobre el sistema nervioso provoca una hiperpolarización neuronal a través de los canales de potasio, y también altera la liberación y contenido de neurotransmisores. Se ha postulado que al inhalar de improviso una gran dosis de ácido sulfhídrico, por ejemplo al 07 toxicologia alim 24/11/08 14:09 Página 231 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO penetrar en una bodega o bajar a un pozo con alto contenido del gas (pozos negros o lugares con detritus en putrefacción), se puede producir parálisis de los nervios vago y frénico, del sistema vegetativo, con inervaciones en pulmón, corazón y diafragma, conducente a muerte fulminante. El ácido sulfhídrico se une también al Fe3+ de la metahemoglobina, para formar sulfometahemoglobina; pero en la sangre de cadáveres recientes no se encuentra ni sulfometahemoglobina ni apenas sulfohemoglobina. Concentraciones tan bajas como 0,02-0,12 ppm en el aire son detectables por el olfato. Superiores a 50 ppm producen parálisis del sentido del olfato. De 50-100 ppm provocan irritación de las mucosas De 200-300 ppm, edema pulmonar por la causa anterior. Superiores a 500 ppm, toxicidad sistémica, con hipotensión, taquicardia, depresión miocárdica, inhibición vagal y muerte súbita en un 6 % de los casos. Superiores a 700 ppm, rápida inconsciencia y parada cardiorrespiratoria; en estos casos, el análisis toxicológico no consigue revelar la presencia de ácido sulfhídrico ni de sus derivados en la sanÓxido nitroso N2O gre, a causa de lo fulminante de la muerte y de la escasa cantidad de tóxico absorbida. El fosfuro de hidrógeno o fosfina (PH3) se libera en la hidrólisis, simplemente por la humedad, de fosfuros metálicos, de sodio, aluminio, cinc, etc., y se usa como insecticida y raticida en silos o almacenes de granos, aunque ello está prohibido por su peligrosidad. Es otro inhibidor de la citocromooxidasa, y genera radicales libres que inician peroxidación lipídica celular. Su olor en el aire se detecta a concentraciones de 2 ppm, pero el TLV, límite permisible en el ambiente laboral, está establecido en sólo 0,3 ppm. Otros gases de gran interés por su participación en los procesos circulatorios y respiratorios son los óxidos de nitróg eno (NOx), que poseen múltiple interés en Toxicología y son citados en distintos párrafos de este libro. El nitrógeno, junto con fósforo, arsénico y antimonio, constituye el Grupo Vb del Sistema periódico de los elementos químicos; por su proximidad con el oxígeno, grupo VIb, comparte con él algunas propiedades, como su afinidad por los grupos hem. Por oxidación puede dar lugar a distintos compuestos: Óxido nítrico N202 ó NO Tetróxido o dióxido de nitrógeno N2O4 ó NO2 Todos ellos son oxidantes e irritantes; nitratos y nitritos orgánicos e inorgánicos son metahemoglobinizantes. El N2O, por inhalación, produce relajación o embriaguez, por lo que se denominó gas hilarante y es uno de los primeros compuestos usados como anestésico; NO y NO2 tienen en conjunto un número par de electrones y se consideran como radicales nitroxilo y nitrilo, respectivamente. El óxido nitroso se forma en la descomposición por el calor de nitrato amónico, y el dióxido de nitrógeno de cualquier otro nitrato, por lo que ambos pueden liberarse en incendios. Por el contrario, el óxido nítrico (NO) se forma en la atmósfera durante las tormentas con componente eléctrico, y sólo se obtiene por medios químicos mediante reducción del ácido nítrico por metales como 231 Trióxido de nitrógeno N2O3 Pentóxido de nitrógeno N2O5 cobre, mercurio o plata, pero en medio biológico es sintetizado por las enzimas NO sintetasas (NOS), de las que se conocen tres isoenzimas: una forma inducible, simbolizada por iNOS o NOS-II (que se expresa en macrófagos, células de Kupffer, neutrófilos, fibroblastos, músculo liso vascular y células endoteliales como respuesta a estímulos patológicos) y dos formas llamadas constitutivas por formarse fisiológicamente en el endotelio vascular principalmente, la eNOS o NOS-III, o en las neuronas, la nNOS o NOS-I; las NOS constitutivas son activadas por Ca-calmodulina tras aumento de la concentración de Ca++; el NO no se almacena sino que se libera conforme se forma; tanto la deficiencia como el exceso de NO dan origen a patologías. La participación del NO en la vaso- 07 toxicologia alim 24/11/08 14:09 Página 232 232 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL O2: Oxihemoglobina Hemoglobina, Fe2+ CO: Carboxihemoglobina Metahemoglobina, Fe3+ Citocromos Inhibición de citocromos CNH: Cianmetahemoglobina SH2: Sulfometahemoglobina PH3 Fe3+ Hb CO O2 O2Hb Hb NO2 CN– MetHb + SH2 CNMetHb CNMetHb Rodanasa + S2– SCN O2Hb MetHb reductasa SHMetHb Figura 7.4. Hemoglobina, reacciones y derivados de interés toxicológico. dilatación es decisiva y también es un neurotransmisor. La actividad de las NOS es bimodal, oxidasa o reductasa, y la de la inducible, iNOS, es l.000 veces mayor que la de las otras, y conduce a la liberación de NO a partir de L-arginina o de otros donantes, como nitroderivados orgánicos vasodilatadores (nitroglicerina, S-nitrosoglutatión, etc.) o nitroprusiato. El NO es muy reactivo; la hemoglobina tiene por él una afinidad 10.000 veces mayor que por el oxígeno, uniéndose en forma reversible al tiol de la cisteína en la globina, formando hemoglobina S-nitrosilada; también se une a grupos hemo de los citocromos. Por otra parte, da origen a radicales libres. La liberación de grandes cantidades de NO en el cerebro, por inducción de NOS o por estimulación excesiva de los receptores N-metil-D-aspartato (NMDA), conduce a destrucción neuronal, bien por acción directa o después de su oxidación a peroxinitrito. La inhalación de óxidos de nitrógeno, por penetrar profundamente (a diferencia de los óxidos de azufre, SOx, que por su avidez por la humedad quedan retenidos en el tramo superior del árbol respiratorio), provoca edema agudo de pulmón tras intensa vasodilatación pulmonar. Esto ocurre a concentraciones de NO superiores a 300 ppm, aunque a bajas concentraciones reduce la hiperten- sión y se utiliza en pacientes con déficit respiratorio. El mecanismo de acción del NO es doble: Por activación de la guanilatociclasa produce GMPc, participa en cascadas de fosforilación, que conducen a vasodilatación; y por reacción con el radical superóxido forma peroxinitrito, muy oxidante y lesivo para las estructuras celulares. Se piensa que el NO participa en la muerte neuronal por isquemia, y en los procesos degenerativos de la enfermedad de Parkinson, la demencia senil y la esclerosis lateral amiotrófica, en este caso a través de una mutación del gen que codifica a la enzima superóxido dismutasa (SOD) (Rang et al., 2004). La síntesis de NO está reducida en individuos con colesterol alto, en diabéticos y en fumadores. El sildenafilo potencia la acción del NO en los cuerpos cavernosos del pene, al inhibir la fosfodiesterasa facilitando la vasodilatación y llegada de sangre para la erección. Véase más información sobre los óxidos de nitrógeno en el Capítulo 6, apartado de Reactivos de óxido nítrico y en este capítulo, apartado de Fisiopatología tóxica pulmonar. En la figura 7.4 se recogen los derivados de la hemoglobina de mayor interés toxicológico. 07 toxicologia alim 24/11/08 14:09 Página 233 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO 233 FISIOPATOLOGÍA TÓXICA DEL SISTEMA NERVIOSO Corteza Elementos anatomofisiológicos Mesencéfalo Sistema límbico Formación reticulada Nervios sensistivos Figura 7.5. Esquema general del SN con las aferencias sensitivas al SNC e intervención del sistema reticular activante. Ventrículo lateral Bulbo olfatorio Diencéfalo Hipotálamo Hipófisis III Ventrículo Mesencéfalo Acueducto Puente Cerebelo Tronco cerebral Telencéfalo Médula oblongada o bublo IV Ventrículo Médula espinal Anatómicamente podemos distinguir el sistema nervioso central (SNC) y el sistema nervioso periférico (SNP). El primero está integrado por el encéfalo (cerebro), que lleva adosado el cerebelo, el tallo cerebral con el bulbo, y la médula espinal, localizada en la columna vertebral; el encéfalo de un hombre de 70 kg pesa aproximadamente 1,5 kg, de los cuales 980 g son grasa y 13 g fosfolípidos. Las estructuras más internas del encéfalo son las de carácter más animal, como el rinoencéfalo (el cerebro más primitivo) o el sistema límbico. Este último regula las actividades instintivas, los procesos emocionales y los comportamientos motivados (estimación del tiempo, alimentación, bebida, comportamiento social y el reproductor, etc.), y está funcionalmente asociado con el sistema endocrino y el sistema nervioso autónomo; se admite que participa en el procesamiento de los fenómenos de recompensa, activado por las drogas de abuso, y en el establecimiento del hábito adictivo, así como que es sede de lesiones y neuroadaptaciones tras el consumo de drogas. Un importante componente del sistema límbico es el hipotálamo, que integra el sistema nervioso vegetativo o autónomo con el sistema nervioso central; está constituido por varios núcleos con diversas funciones y conexiones a diferentes estructuras; el hipotálamo regula o participa en la regulación de numerosas funciones vegetativas, como la temperatura, ciclo sueño-vigilia, memoria, apetito, diuresis, presión arterial, homeostasis, etc. y segrega hormonas liberadoras de otras hormonas desde distintos órganos, principalmente de la hipófisis, a la que está directamente conectado. Por su parte, la capa más externa o corteza cerebral ha experimentado un desarrollo distintivo del hombre, y en ella se producen los procesos intelectivos y de la mente; se dice que durante la evolución y la selección natural, el cerebro del hombre se ha desarrollado hacia funcionar como una computadora de carácter predictivo, es decir, recoge información y la procesa para predecir lo que puede ocurrir. El SNP está formado por los nervios sensitivos (que recogen los estímulos de los órganos de los sentidos) y por los nervios motores (que llevan las órdenes a los músculos) (Figs. 7.5 y 7.6). Figura 7.6. Representación esquemática del SNC. 07 toxicologia alim 24/11/08 14:09 Página 234 234 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Figura 7.7. Neurona, nervio y sinapsis. Cada nervio está formado por un haz de neuronas, junto con vasos sanguíneos y tejido de sostén. Los nervios más largos del hombre son los de las extremidades inferiores. La unidad funcional del SN es la neurona, célula muy especializada, en la que cabe distinguir el cuerpo celular o pericarion, las dendritas y el axón. El axón termina en el pie o botón presináptico, cuya disgregación in vitro origina los sinaptosomas (Fig. 7.7). El axón de una neurona está separado de la que le sigue por la hendidura o espacio sináptico, que debe ser atravesado por las sustancias conocidas como neurotransmisores, forma química de comunicar el impulso nervioso. Este impulso normalmente excita la neurona siguiente, pero en ocasiones tiene un efecto inhibidor o modulador; en cada caso se denomina a la neurona anterior como excitadora o inhibidora. Los procesos metabólicos, tanto energéticos como de síntesis, se desarrollan fundamentalmente 07 toxicologia alim 24/11/08 14:09 Página 235 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO en el cuerpo neuronal y también en el botón sináptico; el metabolismo energético es extraordinariamente intenso, con consumo exclusivo de glucosa y oxígeno (a diferencia de otras células que pueden obtener energía de otros azúcares, de aminoácidos o de lípidos); la dependencia del oxígeno es tal, que breves interrupciones en su suministro o aprovechamiento (por causa tóxica: CO, CN–) originan lesiones fácilmente permanentes. Los productos metabólicos se desplazan hasta el botón sináptico a lo largo del axón por los microtúbulos y microfilamentos formados por polímeros de la proteína tubulina, cuya despolimerización se regula por la presencia de las llamadas proteínas asociadas a los microtúbulos (MAP). Por ser dianas de interés toxicológico, nos detendremos brevemente en las citadas estructuras: Los neur ofilamentos son componentes de los axones periféricos, formados por proteínas filamentosas ricas en lisina; se sintetizan en el cuerpo neuronal y son transportados al axón por un mecanismo activo, con consumo de ATP. Tóxicos específicos de estas estructuras son la gammadicetona y la acrilamida. La γ-dicetona o 2,5hexandiona se forma por oxidación del n-hexano; sus carbonos carbonílicos son lugares electrófilos que reaccionan con el nitrógeno de la lisina, originando un aducto formado por un pirrol dimetilado. Esto ocasiona la polimerización y acumulación en los nódulos de Ranvier, que obstruye el paso por este lugar que es más estrecho; también, tras autooxidación de los pirroles, provoca crosslinks de unos neurofilamentos con otros. Los microtúbulos son filamentos huecos formados por polímeros de dímeros de α y β-tubulina y proteínas asociadas, en cuyo plegamiento participan las chaperonas. Los microtúbulos participan en la mitosis, en el citoesqueleto, en el transporte intracelular y el axónico, etc. El axón termina en la llamada membrana presináptica que queda ligeramente separada de una estructura especializada (membrana postsináptica) de una célula receptora; el conjunto de ambas membranas y el espacio intermedio recibe el nombre de sinapsis. Las sustancias más importantes de entre las sintetizadas por las neuronas son las encargadas de transmitir el impulso nervioso de una neurona a otra o a una fibra muscular, por lo que reciben el nombre de neurotransmisores. 235 Se ha venido admitiendo que, normalmente, cada tipo de neurona sintetiza una sola clase de neurotransmisor, que se acumula en las vesículas sinápticas, pero ahora se sabe que las neuronas pueden liberar distintos neurotransmisores dependiendo de diferentes circunstancias, y que neuronas muy próximas no liberan el mismo neurotransmisor. Cuando llega un impulso nervioso al extremo del axón o membrana presináptica, se abren canales específicos para el ion calcio (Ca++) que penetra en el terminal y favorece que las vesículas, en número proporcional a la intensidad del impulso, se aproximen a la membrana, se fundan con ella y viertan su contenido de moléculas de neurotransmisor a la hendidura o espacio sináptico. El axón está normalmente rodeado o revestido por células de Schwann, que, dejando el núcleo a un lado, se enrollan sobre el axón; la membrana de estas células contiene una gran cantidad de lípidos (colesterol, fosfolípidos, especialmente fosfatidilcolina y glicolípidos, entre ellos el cerebrósido, con galactosa), y constituye la llamada vaina de mielina, de función electroaislante. Entre cada dos células de Schwann queda un pequeño espacio sin mielina denominado nódulo de Ranvier. Las fibras sin mielina conducen el impulso nervioso de manera continua, pero lenta, mientras que en los axones mielínicos, los nódulos de Ranvier realizan un efecto de condensador que retiene las cargas eléctricas hasta un valor determinado, en cuyo momento se produce una progresión o salto del impulso, con velocidad mayor que en la conducción continua; se conoce el fenómeno como conducción saltatoria, que permite que la velocidad de transmisión pase de 0, 3 a 100 m/seg. Los trastornos que afectan la mielina, como la incidencia de disolventes orgánicos, disminuyen o anulan esta propiedad, y dan origen a importantes fenómenos patológicos, a veces irreversibles. La composición del medio interno de una neurona es muy similar a la de otras células, pero posee 10 veces más potasio y 10 veces menos sodio que el medio externo. Esta peculiaridad origina una diferencia de potencial, entre el interior y el exterior del axón, de –70 milivoltios, conocido como potencial de reposo, que se expresa como negativo porque asi está el interior de la membrana respecto del exterior. Se dice que la membrana está polarizada. 07 toxicologia alim 24/11/08 14:09 Página 236 236 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Figura 7.8. Entrada y salida de sodio y potasio del axón. BLOQUEO DEL CANAL DESDE EL EXTERIOR Tetrodotoxina Saxitoxina BLOQUEO DE LA INACTIVACIÓN [ [ Cuando una señal eléctrica entra por la dendrita, en el nacimiento del axón se produce una disminución local de la diferencia de potencial a través de la membrana a –10 mV. Esto hace que en las proximidades se abran unos poros o canales que posee la membrana para permitir la entrada de iones sodio, obligando a iones potasio a salir por otros poros específicos; con ello cambia la polaridad intermedia de negativa a positiva y se invierte la diferencia de potencial a unos +50 mV (potencial de acción), que supone la despolarización de la membrana. Los canales iónicos son macroproteínas que atraviesan la membrana, y que están constituidas por varias subunidades proteicas dispuestas alrededor de un eje central hueco; con la llegada de una señal eléctrica, química, térmica o mecánica, se produce un cambio de conformación en la proteína que pasa de un estado cerrado a abierto, y permite que, selectivamente, pasen a su través determinados iones. Esta apertura de los canales tiene lugar a lo largo del axón por la llegada del impulso eléctrico, pero en la membrana postsináptica se requiere la actuación de un neurotransmisor, sustancia química liberada por el terminal axónico a la llegada del impulso eléctrico. La sustancia transmisora, al alcanzar la membrana postsináptica (dendrita de otra neurona o la placa neuromuscular), se une a proteínas de los canales de sodio y potasio, que se abren y permiten Veratridina Batracotoxina Tox. escorpión Piretroides DDT BLOQUEO DEL CANAL DESDE EL INTERIOR Anestésicos locales Antiepilépticos Antiarrítmicos Figura 7.9. Lugares de acción de distintos tóxicos sobre los canales de sodio. el intercambio de iones y, con, ello, el nacimiento de nuevo pulso nervioso. En el proceso permeabilizante interviene la proteína G y otras proteínas especializadas cuya activación inicia varias cascadas de pasos bioquímicos con participación de la enzima adenilciclasa, que sintetiza el AMP-cíclico, denominado segundo transmisor. 07 toxicologia alim 24/11/08 14:09 Página 237 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO Para recuperar el equilibrio iónico deben salir los iones sodio, que se intercambian por los de potasio (en proporciones de 3:2); esto requiere consumo de energía, suministrada por ATP, en lo que se llama bomba de sodio; con ello se consigue la repolarización de la membrana y la diferencia de potencial inicial (Figs. 7.8 y 7.9). Una misma sinapsis puede actuar como facilitadora o excitadora o bien como inhibidora de la transmisión nerviosa, de esa o de otra neurona, según que el neurotransmisor despolarice o hiperpolarice la membrana receptora. Una vez que actúa el neurotransmisor, debe ser destruido por enzimas específicas o recaptado por el terminal axónico, pues en caso contrario se produci- Figura 7.10. Acción de los inhibidores de MAO: impiden la destrucción del neurotransmisor. Figura 7.11. Acción de aminas neutrotransmisoras. 237 ría una hiperpolarización causa de patologías. Los neurotransmisores que son aminas son destruidos por las enzimas monoaminooxidasas (MAO); cuando se absorbe un inhibidor de éstas (IMAO), no se elimina el transmisor y se producen trastornos por el exceso de conducción (Fig. 7.10). Otros mediadores de tipo éster son hidrolizados por esterasas como la acetilcolinesterasa, que hidroliza la acetilcolina y es inhibida por organofosfatos y carbamatos; o la fosfodiesterasa, que degrada el AMP-c, y es inhibida por las xantinas (cafeína) (Fig. 7.11). El mecanismo de la transmisión sináptica es el mismo cualquiera que sea el neurotransmisor, pues éste se limita a condicionar la apertura de los canales. Cuanto mayor sea el número de moléculas de 07 toxicologia alim 24/11/08 14:09 Página 238 238 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL transmisor liberadas más canales se abrirán y mayor será el potencial producido. La presencia de Ca++ extracelular hace más estable la membrana, y su defecto la hace más excitable. Se conocen unas 30 sustancias que actúan como neurotransmisores, aunque unas poseen actividad excitadora y otras son inhibidoras. Los neurotransmisores más conocidos son acetilcolina, noradrenalina, adrenalina, dopamina y serotonina, pero también se conocen importantes papeles desempeñados por otros mediadores como el glutamato, glicina, aspartato, etc., que participan en fenómenos fisiopatológicos de origen tóxico (Figs. 7.12 y 7.13), como por ejemplo: Neurotransmisores: Excitantes: glutamato, aspartato, cisteato. Inhibidores: GABA (3), alanina, taurina glicina (4). a) Actividad ordinaria: acetilcolina, adrenalina, noradrenalina, dopamina y serotonina o 5hidroxitriptamina (5-HT). b) Actividad excitadora: aspartato, glutamato, cisteato. c) Actividad inhibidora: alanina, gamma-aminobutirato (GABA), glicina, taurina. Estos neurotransmisores de origen endógeno, así como sus equivalentes exógenos, reciben el nombre genérico de agonistas, porque actúan sobre su receptor, mientras que se denominan antagonistas aquellas sustancias que bloquean a los receptores al unirse a ellos. Las neuronas en cuya transmisión interviene la adrenalina se denominan adrenérgicas, cuando es Fármacos: Estimulantes: muscarina, pilocarpina, nicotina, inhib. acetilcolinesterasa. Inhibidores: atropina, escopolamina, excesos de acetilcolina, excesos de nicotina 1. Antagonizada en el receptor muscular por el curare. 2. Antagonizada en los receptores por la LSD. 3. Antagonizada en los receptores por la picrotoxina. 4. Antagonizada en los receptores por la estricnina. 1. Inhibe su liberación la toxina butulínica. 4. Mimetizada por los benzodiazepínicos, que desplazan la estricnina. Figura 7.12. Regulación de la transmisión sináptica. Principales transmisores: acetilcolina (1), noradrenalina, adrenalina, dopamina (2), serotonina. Figura 7.13. Síntesis de noradrenalina a partir de L-dopa y destrucción por las enzimas MAO y COMT 07 toxicologia alim 24/11/08 14:09 Página 239 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO la dopamina son dopaminérgicas, si es serotonina serán serotoninérgicas, etc. En el capítulo de Mecanismos de Toxicidad, al hablar de los receptores, se relacionan las actividades de los receptores neurofisiológicos conocidos de mayor interés toxicológico, como los adrenérgicos, dopaminérgicos, de opiáceos, del glutamato y su subtipo N-metil-D-aspartato (NMDA) y de los cannabinoides (CB1 y CB2) (Tabla 7.1). El glutamato es un importante excitante de la conducción nerviosa (llega a producir necrosis neuronal), mientras que su producto de descarboxilación, el ácido gamma-aminobutírico (GABA) es inhibidor; el primero permite la despolarización de la membrana postsináptica, el segundo origina hiperpolarización, posiblemente por aumento de conductancia del K+ y del Cl–, por lo que resulta más dificil excitar la membrana postsináptica en presencia de GABA. El mismo tipo de papeles juegan los ácidos aspártico y cisteico (estimuladores), frente a sus descarboxilados, alanina y taurina, que, como la glicina, son inhibidores. Los alcaloides picrotoxina y bicuculina son antagonistas de los receptores de GABA, y producen convulsiones; de la misma manera que la estricnina compite con la glicina en sus receptores de las sinapsis espinales, hay evidencia de que la toxina tetánica inhibe la liberación de glicina de las neuronas. Por otra parte, se sabe que los benzodiazepínicos son capaces de desplazar la estricnina de los receptores de la glicina, y mimetizan la acción inhibidora de ésta, por lo que se produce relajación muscular. Se piensa que la acción fisiológica del GABA sobre sus receptores es incrementada por los benzodiazepínicos. Tabla 7.1. Droga 239 Un derivado del GABA, que ha alcanzado cierta difusión en el campo de la drogadicción, es el gamma-hidroxibutirato (GHB, o gamma-OH)), normalmente usado como sal sódica del ácido γ-hidroxibutírico, que se produce como metabolito del ácido gamma-aminobutírico (GABA) y de los aminoácidos al sustituir el grupo amino por un hidroxilo; funciona como neurotransmisor que actúa sobre las neuronas inhibidoras de la transmisión. Fue estudiado por Laborit (1962) para compararlo con el GABA, viendo que, a diferencia de éste, atraviesa la barrera hematoencefálica (penetra en el cerebro), y en Alemania se intentó aplicar como anestésico, pero se descartó por producir delirios y epilepsia. En la década de los 80 se prohibió en EE UU. Se ha vendido para reducir el peso y como estimulante del desarrollo muscular y se ha ensayado en el tratamiento de la fibromialgia. A dosis bajas produce euforia e incluso agitación y agresividad; a dosis altas induce somnolencia, alucinaciones y pérdida de conciencia. Algunos autores postulan la existencia de receptores específicos para el GHB distintos de los del GABA y otros piensan que actúa a través de los receptores de opiáceos, los muscarínicos, los nicotínicos, y en general, sobre la mayoría de los receptores monoaminérgicos. Es un agonista débil de los receptores de GABA. Al parecer, el GHB origina una respuesta bifásica de la dopamina, ya que a dosis bajas reduce la liberación de ésta, mientras que a dosis altas la aumenta; también inhibe la recaptación presináptica de dopamina. El etanol, a pesar de que, como hemos anotado, por no poseer ningún carbono asimétrico, no Receptores y actividad de las drogas de abuso Actividad Alucinógenos Agonista parcial en receptores 5-HT 2A Anfetamínicos Agonista indirecta sobre los receptores de DA, NA, SE. Liberación de DA Cannabinoides Agonista sobre receptores CB1 y CB2 Cocaína Agonista indirecta en receptores de DA, NA, SE. Inhib. recaptación de DA, etc. Etanol Facilita GABAA e inhibe función receptores glutamato NMDA Fenciclidina Agonista receptores glutato NMDA Nicotina Agonista en receptores acetilcolina, nicotina, NMDA Opiáceos Agonista en receptores m, d y k DA: dopamina. NA: noradrenalina. NMDA: N-metil-D-aspartato. SE: serotonina. De: Nestler, 2004, modificado. 07 toxicologia alim 24/11/08 14:09 Página 240 240 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Figura 7.14. Modulación de la señal dolorosa transmitida por la sustancia P, mediante las endorfinas, que inhiben la liberación de P. dispone de un receptor específico, a través de una acción indirecta bloqueante de los receptores NMDA y activadora de receptores GABA, interfiere en la llegada de señales a las células neurales durante la sinaptogénesis y provoca la neurodegeneración que conduce al síndrome alcohólico fetal. Este mismo mecanismo lo comparten algunos medicamentos y drogas de abuso. En cuanto a la acción de la LSD, se pensaba que, por su anillo indólico, podría antagonizar o bien mimetizar la serotonina, pero recientes experiencias sugieren un antagonismo para los receptores de la dopamina en el núcleo estriado. Por otra parte, en las sinapsis de algunas neuronas actúan otras neuronas para facilitar o inhibir la transmisión de la primera. Así, podemos decir que hay unas neuronas inhibidoras que actúan despolarizando los axones de otras, impidiendo que se libere el mediador químico en la sinapsis de éstas. También hay neuronas que producen hiperpolarización de la membrana postsináptica en la conexión de otras neuronas, interrumpiendo la transmisión entre éstas, por mantenimiento de la polarización; estas neuronas inhibidoras hiperpolarizantes son estimuladas por la estricnina y la toxina tetánica, lo que explica que en la intoxicación por estas sustancias predominen los fenómenos de contracción muscular prolongada. Las neuronas sensitivas primarias receptoras del dolor utilizan el neuropéptido conocido como sustancia P (constituido por 11 aminoácidos) como transmisor en sus sinapsis con las neuronas del asta dorsal de la medula espinal. Pero aquí existen también otras neuronas internunciales que producen unos polipéptidos denominados encefalinas, también conocidos como endorfinas o morfinas endógenas, cuya presencia inhibe la liberación de la sustancia P por la neurona sensitiva, por lo que las neuronas sensitivas secundarias captan menos señal dolorosa; como consecuencia, el cerebro percibirá menor sensación de dolor. Se sabe que los opiáceos se unen a los receptores de encefalina desocupados, imitando los efectos supresores del dolor de la encefalina (Fig. 7.14). Se piensa que algunos procedimientos analgésicos, como la acupuntura, la hipnosis, etc., incrementan la liberación de encefalinas. Investigando sobre la forma de actuar de los cannabinoides endógenos se ha descubierto una forma de neurotransmisión que se ha denominado señalización retrógrada. Se había visto que los receptores CB1 se encuentran preferentemente cerca de las sinapsis de las neuronas liberadores de GABA (cuyas moléculas, como hemos visto, inhiben que una neurona que las reciba transmita las señales excitadoras que también le lleguen); pero la liberación de GABA, a su vez, puede ser inhibida por la llegada a los receptores CB1 de endocannabinoides como el 2-araquidonilglicerol (2-AG) procedente de la neurona postsináptica (Nicoll y Wilson, 2001); se trata, por tanto, de un proceso retrógrado de supresión transitoria de la inhibición. Por el momento no se conocen otros casos de neurotransmisión retrógrada. 07 toxicologia alim 24/11/08 14:09 Página 241 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO El sistema nervioso vegetativo o autónomo presenta importantes ejemplos de toxicidad selectiva. Como sabemos, el sistema simpático y el parasimpático son fisiológicamente similares hasta el ganglio de conexión o recambio de la primera neurona con la segunda. Los ganglios simpáticos están situados paralelamente a la columna vertebral, formando la llamada cadena simpática paravertebral; mientras que los ganglios parasimpáticos se hallan sobre las propias vísceras. En ambos tipos, la sustancia fisiológica neurotransmisora es la misma, la acetilcolina; puede actuar también la nicotina cuando llega en pequeña proporción; como inhibidores o gangliopléjicos pueden intervenir la nicotina en exceso y las sales de amonio cuaternario. Pero la sinapsis formada por la segunda neurona funciona con diferente neurotransmisor en el simpático (adrenérgico) y en el parasimpático (colinérgico). En este último sistema, el mediador fisiológico es la acetilcolina, y pueden actuar como estimulantes y producir intoxicaciones por exceso de transmisión los alcaloides muscarina, pilocarpina y nicotina, y los inhibidores de la acetilcolinesterasa, la enzima encargada de destruir el mediador fisiológico. Asimismo, son inhibidores de la transmisión en este lugar y producen intoxicación o estado patológico por defecto de función la atropina, la escopolamina y los excesos de acetilcolina y de nicotina; en la sinapsis muscular el curare, que se fija sobre el receptor de la placa motora e impide la actuación de la acetilcolina fisiológica. Por su parte, la sipnasis periférica del simpático presenta dos tipos de receptores, los alfa y los beta. Figura 7.15. Acción de las anfetaminas: liberación de noradrenalina; también impiden la recaptación. 241 Los receptores alfa son estimulados por la noradrenalina y, en menor proporción, por la adrenalina y la fenilefrina; las anfetaminas liberan noradrenalina de los depósitos, por lo que actúan como simpaticomiméticos indirectos, y por ello no son efectivas después de un tratamiento con reserpina, que vacía los depósitos (Figs. 7.15, 7.16, 7.17 y 7.18). La estimulación de los receptores alfa excita la musculatura lisa (bronquial, vascular e intestinal), produciendo vasoconstricción e hipertensión; estos receptores son bloqueados por la ergotamina, la fentolamina y la yohimbina. En cuanto a los receptores beta, de actividad más compleja, son estimulados por la adrenalina y el isoproterenol (isopropilnoradrenalina), y son bloqueados por el dicloroisoproterenol y el propranolol. Su estimulación produce excitación de la musculatura estriada (miocardio) y del metabolismo, y relajación de la musculatura lisa (bronquial, intestinal, pulmonar). En estos niveles (sinapsis periférica del simpático) se desarrolla la actividad de la cocaína, que posee doble acción: impermeabilidad de la membrana de las células almacenadoras de adrenalina, por lo que, al principio, no habrá recaptación de ésta y, por tanto, ligera estimulación, y después no saldrá adrenalina de los depósitos y, por ello, habrá inhibición. La misma acción impermeabilizante ejerce la cocaína para los simpaticomiméticos indirectos, por lo que éstos no producen la acción estimulante. La mayoría de los estimulantes y de los depresores del sistema nervioso central ejercen su acción al modificar las condiciones fisiológicas del 07 toxicologia alim 24/11/08 14:09 Página 242 242 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Figura 7.16. Acción de la reserpina: vaciamiento de las reservas de transmisor. Figura 7.17. Acción de la imipramina: impide la recaptación del transmisor. Figura 7.18. Acción de la clorpromazina y butirofenonas: bloqueo de los receptores y de la recaptación de los transmisores. 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 243 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO 243 Figura 7.19. Localización de los centros bulbares e hipotalámicos. llamado sistema reticular activante (SRA), constituido por la «formación reticular», integrada por miríadas de pequeñas neuronas conectadas entre sí, formando complejas redes entrelazadas; el sistema se inicia en el tallo cerebral, va desde el bulbo raquídeo hasta el mesencéfalo, y su misión fundamental es la de mantener el estado de alerta y el de sueño, porque contiene componentes ascendentes y descendentes, de función estimulante y depresora. Dentro del SRA se encuentran centros que regulan la respiración, presión sanguínea, función cardiaca, vigilia, hambre, etc. (Fig. 7.19). También interviene en la regulación de los impulsos sensoriales la formación de los reflejos condicionados, el aprendizaje y el estado de conciencia. La afectación de la regulación de éste provoca el coma, en sus diferentes grados de profundidad, según la desconexión que presente el sujeto con el mundo exterior (responda o no a los estímulos sonoros, táctiles o dolorosos). Barrera hematoencefálica Es famosa la experiencia de Ehrlich en la que descubrió que un colorante hidrosoluble como el azul tripán, cuando se inyecta i.v., penetra en muchos tejidos pero no en el cerebro. De aquí surgió la idea de una «barrera hematoencefálica», cuya explicación fisicoquímica se encuentra en el alto contenido lipídico del tejido nervioso y en la estructura de los capilares sanguíneos que irrigan el cerebro, más complicada que la de otros vasos. La pared del capilar cerebral está formada, de dentro a fuera, por una capa endotelial, constituida por célu- las hexagonales muy juntas entre sí (a menos de 20 A). Las células son muy delgadas, lo que permite ser atravesadas por las sustancias en ambas direcciones, mediante procesos de difusión pasiva y activa; para estos últimos la membrana de estas células endoteliales posee una gran carga enzimática, agentes de elevada actividad metabólica. Cubriendo el endotelio está la membrana basal, formada por colágeno, glucoproteínas y mucopolisacáridos; es hidrófila y puede ser atravesada por moléculas grandes. Sobre la membrana basal hay un revestimiento discontinuo formado por los pericitos, células con forma de araña, cargados con lisosomas y vesículas de pinocitosis y plasmalémicas (respectivamente, en el citoplasma o en la membrana citoplasmática), indicativos de una actividad fagocitaria. Finalmente, hay un revestimiento glial formado por los pies de los astrocitos, que los separan de las neuronas (Fig. 7.20). Como consecuencia de esta disposición morfológica, los capilares poseen una permeabilidad muy selectiva que sólo permite el paso desde la sangre al tejido nervioso y viceversa de gases, pequeñas moléculas muy liposolubles y sustancias e iones de bajo peso molecular (glucosa, aminoácidos, etc.) que precisan el transporte activo. En el caso de edema cerebral, se ha visto que aumenta el número de vesículas plasmalémicas, que llegan hasta fusionarse y formar canales que aumentan notablemente la permeabilidad capilar. La hipertensión y las soluciones hiperosmóticas también incrementan la permeabilidad. La generalidad de los capilares sanguíneos son muy permeables para moléculas polares de p.m. < 30.000, mientras que para p.m. superiores el paso 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 244 244 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Figura 7.20. Barrera hematoencefálica, de permeabilidad selectiva. puede ser lento (horas) o casi nulo; sin embargo, las moléculas apolares, liposolubles de cualquier tamaño, atraviesan la pared rápidamente. Además, las sustancias que se disuelven en el líquido cefalorraquídeo (LCR) se eliminan pronto, por la continua dilución y renovación de éste. NEUROTOXICOLOGÍA En la producción de procesos tóxicos sobre el SN podemos distinguir tres niveles de fenómenos fisiopatológicos, según su localización. I. Fenómenos localizados preferentemente en el sistema nervioso central; son producidos por fármacos psicotropos, hidrocarburos, sulfuro de carbono, alquilmercurio, bromuro de metilo, barbitúricos, etc. II. Fenómenos localizados preferentemente en el sistema nervioso periférico, producidos por compuestos organoplúmbicos y organoestánnicos, organofosforados, talio, acrilamida, disolventes lipófilos y procesos inmunitarios. III. Fenómenos neurotóxicos acompañados de alteraciones en otros órganos y sistemas, producidos, por ejemplo, por tetracloruro de carbono, monóxido de carbono, etc. Es obvio señalar que los productos indicados no actúan «exclusivamente» en los diferentes niveles, sino sólo «preferentemente». Desde el punto de vista orgánico, también hay que distinguir dos formas de afectación: A) Trastornos funcionales sin lesión permanente. B) Lesiones estructurales persistentes, sean o no posteriormente reversibles. Por otra parte, podemos encontrar localizada la lesión, especialmente en los primeros momentos, en los siguientes puntos: a) cuerpo neuronal; b) axón; c) neuroglia (astrocitos y oligodendrocitos); d) sinapsis; e) músculo, y f) vasos sanguíneos (Fig. 7.21). Como consecuencia, distinguimos las siguientes patologías: 1. Neuronopatías, por afectación del cuerpo celular o neuronal. 2. Axonopatías (que pueden ser distales o proximales, según que la lesión se produzca lejos o cerca del cuerpo celular). 3. Mielinopatías, por deterioro de la vaina de mielina. 4. Afectación transmisional, ya sea a lo largo del axón o en la sinapsis. 5. Miopatías o afectación muscular derivada de trastornos en la inervación del paquete muscular. 6. Vasculopatías del sistema nervioso. 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 245 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO 245 Figura 7.21. Localización de acciones neurotóxicas. Neuronopatías Como se ve, distinguimos la neuronopatía (alteración del cuerpo celular neuronal) de la neuropatía (afectación de cualquier elemento de la neurona). La parte más sensible de una neurona es, lógicamente, el cuerpo celular (pericarion) y, dentro de éste, el núcleo, cuya afectación es absolutamente irreversible. Se produce ésta, fundamentalmente, por causa nutricional o respiratoria (deterioro de la irrigación 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 246 246 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL sanguínea que cubra las altas exigencias de nutrientes y de oxígeno de este tejido) y por causa tóxica que impida el aporte apropiado de oxígeno (monóxido de carbono) o que lesione directamente la membrana o estructuras celulares. La desaparición de elementos citoplasmáticos y el desplazamiento del núcleo da a la célula un aspecto que justifica la designación de neuronopatía en ojo de pez. Cuando la neurona sufre anoxia, por falta de riego sanguíneo o por inhibición de la respiración celular por causa tóxica, experimenta una tumefacción generalizada, y más especialmente en las mitocondrias, aparato de Golgi y lisosomas. La afectación de los dos primeros se traduce en deterioro metabólico con acumulación de ácido láctico, y la de los últimos en la liberación de las lisozimas, que ocasionarán la lisis y destrucción de las estructuras celulares, tanto del cuerpo como del axón (Fig. 7.22). Diferentes compuestos orgánicos e inorgánicos de metales como plomo, mercurio, aluminio y cadmio lesionan directamente al pericarion, alterando su membrana y diferentes sistemas enzimáticos metabólicos, que afectan a los mecanismos energéticos y a la síntesis proteica; el aluminio origina una acumulación de neurofilamentos alrededor del núcleo y en la porción proximal del axón y también se une a los fosfolípidos de la membrana. La lesión primaria del cuerpo celular afecta secundaria y rápidamente a dendritas y axones. La lesión axonal progresa entonces en sentido distal, como una degeneración walleriana. Axonopatías Debe considerarse que el cuerpo celular y sus prolongaciones forman una unidad trófica, por lo que la sección o lesión de un axón provocará degeneración en ambos lados de la misma. El segmento que quede entre la lesión y el extremo del axón pierde la excitabilidad y acaba siempre por morir, sufriendo lo que se conoce como degeneración walleriana (ley de Waller, 1959). En ella, al cabo de unos días, desaparecen microtúbulos y neurofibrillas, se producen tumefacciones circunscritas, coloraciones no uniformes y fragmentación, que desintegra el axón en masas gruesas, de manera irreversible. Como hemos visto, el proceso se desarrolla igualmente cuando la lesión se inicia en el pericarion, con lo que el axón deja de recibir nutrientes (Fig. 7.22). Figura 7.22. Lesiones neuronales. 1 y 2: neuronas sanas conectadas 3: desmielinización segmentaria 4: axopatía walleriana 5: axopatía retrógada 6: neuronopatía en «ojo de pez» 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 247 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO Por su parte, el segmento proximal del axón, comprendido entre la lesión y el cuerpo neuronal, puede experimentar la llamada degeneración retrógrada, en la que el cabo se retrae hasta formar un corto muñón, y puede afectar la célula, que se tumefacta y redondea, desplazándose el núcleo hacia la periferia (células en ojo de pez). Además, los grupos de Nissl, que las neuronas intactas revelan al ser teñidas con azul de toluidina, no se colorean (cromatolisis). Si el cuerpo neuronal no se lesiona, puede producirse regeneración axonal en el SNP, aunque no en el SNC. La degeneración del axón suele afectar secundariamente la vaina de mielina y a la inversa. La mayor parte de los axonotóxicos actúan bien primariamente sobre el cuerpo celular y secundariamente sobre el axón, bien directamente en la porción distal del axón, seguido de progresión retrógrada; se conocen pocas sustancias, como el β, β’-iminodipropionitrilo (IDPN) y el aluminio, que afecten inicialmente la porción proximal. El IDPN da lugar al llamado «síndrome del vals», porque altera el mantenimiento del equilibrio del individuo al producir degeneración de los neurofilamentos del epitelio ciliado vestibular (véase ototoxicidad); también lesiona al neuroepitelio olfatorio. Sustancias como el sufuro de carbono, la acrilamida, los metabolitos de los hidrocarburos de 6 y 7 átomos de carbono, dicetonas, etc., actúan sobre la porción distal del axón afectando los neurofilamentos, que se compactan e interrumpen el transporte axoplásmico; otras sustancias como el triortocresil fosfato (fosfato de triortocresilo, TOCP) y el dipiritionato de cinc producen lesiones tubulovesiculares en el retículo endoplásmico liso de la porción distal. Hemos visto que, en condiciones de reposo, la membrana del axón esta altamente polarizada, con carga positiva en la cara exterior, gracias a la presencia de iones Na+, y negativa en la interior, por los iones K+; a la llegada de un estímulo, la membrana abre los canales de Na+, que permiten la entrada de sodio y se despolariza; pues las toxinas tetrodotoxina (TTX) y saxitoxina, que se encuentran en ciertos peces y moluscos, bloquean, mediante su grupo guanidinio, el canal de sodio impidiendo la entrada de éste. Por el contrario, los insecticidas DDT y piretroides se unen a los canales de sodio abiertos y evitan que se cierren, por lo que no puede producirse la repolarización, prolongándose la despolarización y ocasionándose hiperexcitación. 247 La lesión de los axones de los nervios periféricos se manifiesta como neuritis o neuropatías. Se conoce como neuritis, en sentido estricto, la inflamación del nervio periférico, aunque a veces se aplica a otras lesiones nerviosas, por lo que algunos autores prefieren denominar neuropatía periférica a las patologías de causa no inflamatoria. Se distinguen la mononeuritis y la polineuritis; si la afectación es en la raíz nerviosa, a la salida del nervio de la médula, se denomina radiculitis. Las etiologías más frecuentes son la infección, la compresión (por tejidos duros o inflamados) o la intoxicación. En ocasiones se debe a carencia vitamínica, normalmente de aneurina, tiamina o vitamina B1, y en ocasiones (tras administración de isoniazida o gran consumo de etanol) de piridoxina o B6. La sistomatología comienza con hormigueos (parestesias) y continúa con dolor, anestesia, pérdida de reflejos, hipotonía, paresia, parálisis y atrofia de los músculos inervados por el nervio afectado. En las intoxicaciones es más frecuente y lógica la polineuritis que la mononeuritis. Aquélla supone la afectación simétrica y distal de un nervio, es decir, se presenta en el mismo nervio de ambos brazos o piernas, y normalmente con alteración tanto sensitiva como motora y vegetativa; en el hombre se afectan más frecuentemente los miembros inferiores que los superiores. En los brazos se producen temblores y torpeza para los movimientos finos (abrocharse un botón), mientras que en las piernas suele afectarse el grupo muscular anteroexterno, lo que deja a los pies colgando, péndulos, y obliga a levantar exageradamente la rodilla al andar. Los principales tóxicos polineuríticos son: Pb, Cu, As, Bi, Cr, Tl y disolventes orgánicos. La mielina y los axones pueden regenerarse, pero las lesiones con destrucción de neurona son irreversibles; sin embargo, la gran cantidad de neuronas en el SNC y su plasticidad permiten que, al cabo del tiempo, su función pueda ser realizada por otras neuronas que adquieren tal capacidad. De esta forma es posible la recuperación de las funciones orgánicas cuando la destrucción neuronal no ha sido excesivamente numerosa. Mielinopatías La afectación de la vaina de mielina puede ir acompañada o no de lesión axonal. Si primero se pro- 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 248 248 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL duce ésta y después aquella, hablamos de desmielinización secundaria. Otras veces hay desmielinización y alteración funcional, sin que se alteren los axones. Esto es lo que ocurre, por ejemplo, en la enfermedad conocida como esclerosis múltiple o en placas, así llamada por la aparición de placas cicatriciales en la sustancia blanca, a consecuencia de la sustitución de células de oligodendroglia por astrocitos. En las neuropatías desmielinizantes se produce primeramente una retracción de la célula de Schwann; esto ocurre normalmente en algunas células de Schwann distribuidas al azar, por lo que recibe el nombre de degeneración segmentaria, que se suele presentar en las fibras más largas, con predominio distal, aunque a veces hay una selección de segmentos radiculares, como ocurre en las neuropatías alérgicas. Los nervios sensitivos son más sensibles que los motores. Después de una dilatación o tumefacción de la mielina próxima a los nódulos de Ranvier, se produce la disociación de la vaina con formación de masas redondeadas y desintegración de los lipoides en sus grasas neutras (detectables por coloración con sudán III y rojo escarlata); por fagocitosis y arrastre de los restos grasos se originan unos espacios o vacuolas, que posteriormente pueden rellenarse de líquido. Cuando este proceso se desarrolla en los nervios periféricos o en sus raíces se producen polineuropatías desmielinizantes, una de cuyas formas más interesantes es el síndrome de Guillain-Barré, cuadro paralítico simétrico que comienza con parestesias y debilidad en los pies, que asciende hasta llegar a los nervios craneales y a veces con debilidad respiratoria. Su aparición se relaciona con infecciones víricas y con exposición a diferentes tóxicos, especialmente metales pesados (plomo), pero su mecanismo parece de base inmunitaria, pues los nervios se infiltran con linfocitos y neutrófilos, y hay destrucción segmentaria de la mielina. La desmielinización y vacuolización de las neuronas del SNC originan las encefalopatías conocidas como «degeneración esponjosa», como la producida en cerebro y cerebelo por el etanol. A veces no es necesaria una destrucción de la mielina, ya que basta con que el tóxico se disuelva en ella, alterando la disposición espacial de sus micelas, para que se modifique la capacidad dieléctrica de esta cobertura aislante y, consecuentemente, la velocidad del impulso nervioso. Si la neurona no pierde su vitalidad, puede restaurarse posteriormente el daño merced a procesos proliferativos de las células de Schwann, que se dividen y forman cadenas conocidas como bandas de Hanken-Bünger; esta restitución puede ocurrir en el SNP pero no en el SNC. Como consecuencia de la desmielinización, los axones afectados conducen mal los impulsos nerviosos; lo hacen por el sistema de conducción continua o lenta; como la desmielinización se produce por etapas y en diferentes sectores del axón, al principio del cuadro tóxico la conducción es mezcla de saltatoria y continua, conforme el impulso pasa por sectores intactos o sin mielina; esto también puede ocurrir durante la recuperación parcial. La etiología de estas afectaciones puede ser viral, inmunitaria o tóxica. Puede decirse que los tóxicos desmielinizantes son productos muy liposolubles de gran afinidad por los lípidos y membranas celulares, y por ello destacan como tales los disolventes orgánicos, especialmente los hidrocarburos halogenados y los productos organoclorados de empleo como insecticidas (DDT, clordano, HCH, etc.). Se sabe que el hexaclorofeno, usado como desinfectante, la acetil-tetrametil tetralina, empleada como odorizante de cosméticos, la trialquitina y los compuestos orgánicos de plomo y estaño, etc., producen tumoraciones y disrupción de la mielina, que también se presenta tras reacciones antígeno-anticuerpo. Conocemos casos de afectación humana, con postración de los afectados a un estado de vida vegetativa. Afectación transmisional del impulso nervioso En la fisiopatología de los procesos de la conducción nerviosa podemos distinguir varios mecanismos bioquímicos consecuentes a diferentes lugares de acción. Los principales son: a) En la sinapsis. a.1. Modificación en los niveles de neurotransmisor. a.2. Interacciones con el receptor. a.3. Interferencia con los nueleótidos cíclicos. b) En el axón. 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 249 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO b.1. Alteración de la mielina. b.2. Disregulación del balance iónico y energético. Afectación de los canales iónicos. Veamos brevemente en qué consisten estos procesos fisiopatológicos. a.l. Modificación en los niveles de neurotransmisor Puede tener varios orígenes: 1.1. Bloqueo de la síntesis del transmisor. Ello puede ocurrir por: 1.1.1. Insuficiente aporte de las sustancias precursoras para la síntesis; puede tener una causa alimentaria, o bien deberse a que un tóxico (como los alquilmercurio) altere la membrana del extremo presináptico e impida la captación del precursor. 1.1.2. Sustancia precursora falsa o inapropiada. Es el caso de la absorción de alfa-metil-p-tirosina, que desplaza la tirosina en la síntesis de catecolaminas, conduciendo a unos productos inútiles como neurotransmisores. 1.1.3. Deficientes niveles de las enzimas sintetizadoras de catecolaminas (tirosina-hidroxilasa, que se inhibe por Mn, por ejemplo) bien por causa genética o por inhibición por tóxicos; así, la dopamina-beta-hidroxilasa, sintetizadora de dopamina, se inhibe por CO2, Pb, Mn. 1.1.4. Depleción de los transmisores contenidos en los botones sinápticos. El alcaloide reserpina produce el vaciamiento de las vesículas con desperdicio de las catecolaminas. 1.1.5. Inhibición de las enzimas destructoras del transmisor, como por ejemplo, los organofosforados y los carbamatos, que bloquean la acetilcolinesterasa, encargada de eliminar la acetilcolina para interrumpir su acción. Igualmente los inhibidores de las monoaminooxidasas o de las catecoloximetiltransferasas. Al no destruirse secuencialmente el transmisor se multiplica el estímulo. 1.1.6. Presencia de sustancias que impiden la recaptación del transmisor por el terminal presináptico (cocaína, clorpromazina, imipramina, butirofenona); como en el caso anterior, quedará un exceso de transmisor en las sinapsis, aunque no actúan cuando hay bloqueo del receptor. 1.1.7. Bloqueo de liberación, por ejemplo, de acetilcolina (ACh) por toxina botulínica, o de glicina por toxina tetánica o tetanosnospasmina. 249 a.2. Interacciones con el receptor Se trata de una acción de tipo antagonista, en la que el tóxico ocupa receptores y órganos diana de sustancias fisiológicas. En el caso del transporte de oxígeno por la hemoglobina tenemos su bloqueo por el CO, y en el terreno neurológico recordemos que los opiáceos (morfina y homólogos) ocupan los receptores propios de las encefalinas. El insecticida diisopropil-fosforofluoridato (DFP), además de inhibir a la acetil-colinesterasa (AChE) y la NTE (véase más adelante), se une al receptor nicotínico y bloquea directamente la transmisión. a.3. Interferencia con los nucleótidos cíclicos Se sabe que tanto el AMP-c (adenosinmonofosfato cíclico) como el GMP-c (guanosinmonofosfato cíclico) desempeñan importantes papeles en la transmisión del impulso y en su control por retroacción. Algunas sustancias modifican la síntesis o la destrucción de los nucleótidos; así, las metilxantinas (cafeína y teofilina) inhiben las fosfodiesterasas que degradan el AMP-c a 5.-AMP y el GMP-c a 5.-GMP, prolongando la acción de los nucleótidos y, por tanto, la estimulación. b.l. Alteración de la mielina Cuando se produce una alteración de la estructura y capacidad aislante de la vaina de mielina, como ya hemos visto, la transmisión del impulso nervioso se hace muy lenta, como en los nervios sin mielina. b.2. Disregulación del balance iónico y energético. Afectación de los canales iónicos La propagación del impulso se basa en los intercambios de los iones Na+ y K+, a través de la membrana, y a la posterior recuperación del equilibrio, mediante la bomba de sodio, con consumo de energía (ATP) y la intervención de la enzima Na+, K+-ATPasa. El proceso resulta afectado por todos aquellos tóxicos que alteran la fosforilación oxidativa, como el metanol, la ouabaína, los iones flúor o plomo, etc. Parece que el mercurio orgánico impide la participación de las flavoproteínas en el metabolismo energético neuronal. 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 250 250 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Otras sustancias, como la tetrodotoxina y las ficotoxinas, poseen un grupo guanidinio, que mimetiza el sodio bloqueando su canal y produciendo parálisis neuromuscular junto con depresión cardíaca; la tetrodotoxina se encuentra en los peces globo (tetraodontidae) como el fugu, que es comido por los japoneses después de quitarle la glándula con el tóxico; las ficotoxinas son, producidas por dinoflagelados, constituyentes del plancton marino, que, cuando por condiciones ecológicas especiales (temperatura, contaminación, etc.) proliferan en exceso, originan las llamadas mareas rojas; al ser concentrada por los moluscos, éstos transmiten al hombre que los ingiere la toxina bajo el nombre de mitilotoxina (toxina del mejillón), con producción de trastornos gastrointestinales y musculares por afectación nerviosa. Se han caracterizado cerca de 100 especies de microalgas unicelulares productoras de ficotoxinas, de las que también se ha identificado un buen número, distribuidas en dos grupos: las conocidas por el acrónimo inglés PSP (paralitic sellfish poison) que son paralizantes, y las DPS, diarreicas; todas ellas se encuentran no sólo en el mejillón, almejas y demás moluscos bivalvos, sino que también pueden hallarse en crustáceos, aunque los primeros, que se alimentan filtrando grandes cantidades de agua, retienen las toxinas y las acumulan en el hepatopáncreas en cantidades peligrosas para el consumidor, si no se han mantenido en viveros depuradores. De las toxinas PSP, producidas por los géneros Gonyaulax, Gymnodinium, Alexadrium, etc., se conocen más de 12, unas con radical carbamato, otras sin él, y otras con sulfocarbamato, pero todas con el núcleo imidazol guanidínico que es el que bloquea, de forma reversible, el receptor 1 del canal de sodio de las neuronas, por lo que produce, según la dosis, dificultad de movimientos, parálisis muscular progresiva, depresión cardíaca, y puede llegarse a muerte por parada respiratoria. Se distinguen las toxinas tipo saxitoxina (STX) y gonyautoxina (GTX). En el caracol de mar se ha identificado un péptido, ω-conotoxina (CTX), que bloquea los canales de calcio. Las toxinas DSP son segregadas, fundamentalmente, por los géneros Dinophysis y Prorocentrum, y su acción específica es inhibir distintas fosfatasas implicadas en la transducción de señales; el efecto más llamativo es la diarrea, aunque también algunas son cardiotóxicas, hepatotóxicas o tumorígenas. Las más estudiadas son el ácido okadaico, yesotoxina y dinofisistoxinas. Hacia 1990 se encontró en moluscos un aminoácido tóxico, el ácido domoico producido por unas diatomeas, cuya ingestión origina trastornos nerviosos y gastrointestinales junto con pérdida de memoria, por lo que se le denomina toxina amnésica (ASP), pero su mecanismo no es el aquí considerado, sino uno excitatorio y citotóxico neuronal similar al del ácido glutámico. Los productos que actúan como anestésicos locales (cocaína, etc.) evitan la despolarización del axón, bloqueando la conductancia del sodio en los nervios sensitivos. Los insecticidas piretroides, a grandes dosis, bloquean igualmente la excitabilidad, pero a dosis menores retrasan el cierre de los canales de sodio, de la misma manera que los compuestos organoclorados tipo DDT, lo que produce una corriente residual que se manifiesta como hiperexcitación nerviosa y convulsiones. Por el contrario, el alcaloide grayanotoxina abre los canales de sodio. Además los piretroides y otros organoclorados (lindano, ciclodienos) antagonizan la acción del GABA disminuyendo el flujo de Cl– y de Ca2+. Entre los trastornos de carácter funcional hemos de destacar los que consisten en una alteración del metabolismo de la glucosa. Efectivamente, se ha visto que en muchas intoxicaciones los niveles de glucosa en el cerebro se mantienen muy altos (del orden del 50 % del normal, en intoxicaciones por éter, cloroformo, trietilestaño, tetraetilplomo, barbitúricos y clorpromazina), lo que puede deberse a una disminución de la fosforilación. Se ha visto que la incorporación de fósforo marcado (32P) en diversos componentes cerebrales, como son los fosfolípidos, disminuye claramente, produciéndose simultáneamente un decremento de la temperatura corporal (hipotermia) y del consumo de oxígeno, lo que supone una clara inhibición del metabolismo cerebral. Esto parece ser cierto para algunos tóxicos depresores del SN, en tanto que para los tóxicos estimulantes se supone que hay un bloqueo de la oxidación del piruvato en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos, porque se encuentran altas concentraciones de ácido láctico. El mecanismo puede representarse como sigue: 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 251 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO Glucosa ------------- Depresores Fructosa-1,6-difosfato 2 Piruvato → ác. láctico ---------- Excitantes CO2 También existe abundante información sobre la modificación de las concentraciones cerebrales de aminoácidos en animales tratados con diversas sustancias. Así se sabe que las sustancias depresoras del SNC disminuyen los niveles cerebrales de los ácidos glutámico y gamma- aminobutírico, en tanto que los excitantes elevan el contenido de alanina. Estos hallazgos pueden estar relacionados con las citadas alteraciones metabólicas, pues, si la alanina se obtiene por aminación del ácido pirúvico, se explica fácilmente el aumento de aquélla al elevarse el piruvato. Miopatías Las lesiones nerviosas acaban por afectar los músculos que debieran recibir la inervación correspondiente. En el músculo hay una zona especializada, llamada placa motora, a la que llega el nervio motor. Cuando en el terminal del axón se libera el transmisor (acetilcolina), éste provoca la despolarización de la membrana con liberación del potencial de acción que contrae el músculo; esta contracción facilita la llegada de sangre y la nutrición muscular, por lo que cuando un músculo no recibe estímulos se debilita y atrofia; por el contrario, cuando recibe estímulos exagerados, por la presencia de tóxicos excitantes, permanece hiperpolarizado y mantiene su contracción. Las lesiones motoras son prontamente objetivables mediante técnicas electromiográficas (EMG). (Véase apartado de Rabdomiolisis en el Capítulo 16). Vasculopatías tóxicas En ocasiones la afectación del tejido se produce secundariamente a una alteración del endotelio de 251 los vasos sanguíneos que lo riegan. Los derivados de arsénico, aluminio, cadmio, mercurio, plomo, talio, estaño, etc., se unen a los grupos tioles de las células endoteliales y aumentan la permeabilidad de la pared de los vasos, lo que permite la salida al espacio extracelular de sangre (hemorragia) o plasma (edema), originando una encefalopatía con muerte de neuronas. La falta de oxígeno (anoxia), por ejemplo en intoxicación por CO, también produce lesión endotelial y edema. También producen edema cerebral el etanol, ciclohexanona, metilsulfoxina, monóxido de carbono, ácido cianhídrico, etc. Las vasculopatías de origen inmunitario (reacciones de hipersensibilidad) pueden afectar el entotelio vascular y originar edemas o producir obstrucciones por los complejos antígeno-anticuerpo, y alterar el riego sanguíneo del tejido, con la consecuente afectación neurológica. (véase el apartado anterior de Fisiopatología de los vasos). Neuropatías tóxicas de especial interés a) Intoxicación por organofosforados. Puede presentarse en una forma aguda, por inhibición de la acetilcolinesterasa (AChE), lo que origina un síndrome muscarínico y otro nicotínico, según sean antagonizables o no por la atropina; al no destruirse la acetilcolina en las sinapsis hay una sobreestimulación con hipersecreciones, temblores y convulsiones. Pero también puede presentarse como una toxicidad retardada que producen algunos de estos compuestos, incluido el triortocresilfosfato, que no se debe a este mecanismo, sino más bien a un fenómeno de degeneración retrógrada, que comienza en las fibras sensibles del huso muscular (como en la deficiencia de tiamina) y progresa afectando las fibras motoras, alcanzando la médula espinal, el romboencéfalo, núcleos cerebelosos, etc., donde se puede encontrar necrosis generalizada de la sustancia blanca. (Repetto et al., 1995.). Los síntomas se presentan en forma retardada, 8-14 días después de una absorción del compuesto, incluso una vez que el individuo se recuperó de la intoxicación aguda; se produce debilidad, ataxia y hasta parálisis en las extremidades inferiores, y a veces en las superiores. La lesión primaria se origina en el axón, al bloquearse el transporte axonal 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 252 252 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL retrógrado, con desmielinización secundaria, y progresa en forma retrógrada desde el lugar de afectación hacia el cuerpo neuronal. El mecanismo no se conoce en su totalidad. Parece que determinados compuestos inhiben una esterasa de la membrana del axón, que ha sido denominada NTE (esterasa de implicación neurotóxica); se piensa que el bloqueo de la enzima desencadena un mecanismo probablemente inmunitario que lesiona el axón. Johnson et al. (1975) encontraron que esto se produce con algunos organofosforados (OF), pero no con otros, por lo que se define a la NTE como una fenilvalerato-esterasa sensible al mipafox pero resistente al paraoxón. Sin embargo, según Abou Donia (1990) la degeneración del citoesqueleto axonal ocurre cuando el OF activa a la calcio-calmodulinaquinasa y se fosforilan las tubulinas y las MAP. La extensa familia de compuestos organofosforados presenta una gran diversidad estructural y, consecuentemente, muy diferente electrofilia en sus átomos de fósforo, ya que ésta y la reactividad son grandemente determinadas por los sustituyentes en la molécula; así, si el doble enlace P=O hace al P muy electrófilo, más lo es cuando hidrógenos de la molécula han sido sustituidos por átomos de halógeno. b) En la afectación por metilmercurio se producen grandes cambios histológicos en toda la fibra, posiblemente a consecuencia de desorganización de la síntesis proteica. Se ha visto que el metilmercurio reacciona con un grupo de fosfolípidos propios de las células nerviosas, llamados plasmalógenos. Estos fosfolípidos tienen un enlace viniléter (CH2 = CH – O –), en lugar de los enlaces éster de la mayor parte de los lípidos. Parece que el alquilmercurio, al reaccionar con el plasmalógeno, rompe el enlace viniléter y lo hidroliza con liberación de aldehídos esteáricos y palmíticos, tóxicos a su vez, y que contribuyen a alterar la estructura de la membrana y a la lisis celular. Concluye con degeneración neuronal, especialmente en corteza visual, cerebelo y ganglios nerviosos. En cierto modo este mecanismo de acción es similar al del veneno de serpientes, que contiene fosfolipasas que hidrolizan los plasmalógenos con producción de otras sustancias tóxicas. El metilmercurio también inhibe la captación de precursores y la liberación de ACh. c) La neurotoxicidad de los hidrocarburos requiere especial atención. Tradicionalmente se consideraba que los hidrocarburos alifáticos, por ser moléculas relativamente inertes («parafínicos»), poseían baja toxicidad, reducida a fenómenos de anestesia o narcosis transitoria, al aumentar la fluidez de la membrana, aunque en menor medida que los hidrocarburos aromáticos. Pero se ha comprobado que la acción metabólica de los sistemas enzimáticos microsómicos sobre los alcanos origina productos de gran neurotoxicidad, por un mecanismo similar al visto anteriormente. Las primeras neuropatías de este tipo se descubrieron en trabajadores expuestos a n-hexano en imprentas, fábricas de zapatos y sandalias, de pinturas de muebles, etc. El síntoma inicial es de carácter sensitivo, y progresa a sensoriomotor en las extremidades, de forma simétrica, con una distribución tipo «calcetín-guante». El cuadro aparece entre los meses primero y décimo de iniciada la exposición, normalmente hacia el tercer mes. Posteriormente, la afectación se extiende al SNP y SNC, con debilidad muscular, parestesias, fatigabilidad, visión borrosa, dolor de cabeza, atrofias musculares, reflejos hipo-hiperactivos, dolores y cuadriplejia flácida, en los casos severos. La biopsia de nervios periféricos muestra destrucción de la vaina de mielina y degeneración del axón; al producirse disminución de la velocidad de conducción, se origina atrofia muscular correspondiente a una denervación, como se demuestra por electromiografía y electroneurografía. En estos estudios, y en otros efectuados con individuos que utilizaban colas sintéticas para su trabajo o como drogadicción (sniffing), se vieron anormalidades histológicas y síntomas no distinguibles de las producidas por el triortocresilfosfato (TOCP) y la acrilamida. El primero ha originado intoxicaciones masivas por su presencia en alcohol y en aceites adulterados y por su uso como plastificante en papel de envolver mantequilla, en tanto que la acrilamida (CH2 = CH – CO – NH2 utilizada en preparados floculadores de sistemas acuosos, es absorbida a través de la piel. Se produce pérdida de sensibilidad, debilidad en las extremidades y ataxia; por la similitud con la neuropatía por deficiencia de tiamina, se pensó que la lesión se inicia en el pericarion o cuerpo celular con posterior afectación del transporte axonal. La gallina es el animal que, tras la administración de bajas dosis de trior- 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 253 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO 253 tocresilfosfato (TOCP), más pronto evidencia signos de intoxicación, de una forma similar a como ocurre en el hombre. Hacia los 8 días aparecen (en ambas especies) parálisis motora en las piernas (parálisis flácida de los músculos extensores) y fuerte ataxia; en algunos casos también se ha observado parálisis en brazos de humanos, pero no se detectó afectación de alas o colas de las aves. Posteriormente se han observado idénticas neuropatías en individuos y animales expuestos a heptano, metiletilcetona (MEC) y metil-n-butilcetona (MNBC). Mediante experimentación animal se ha comprobado que tanto el n-hexano como las dos cetonas citadas poseen metabolitos comunes, 2,5-hexanodiona, 5-hidroxi-2-hexanona y 2-hexanol; administrados estos y otros productos relacionados a ratas, se encontró que tanto la 2,5-hexanodiona como el 2,5-hexanodiol son los agentes neurotóxicos. En pacientes con antecedentes de uso de pinturas y lacas con tinner (disolvente técnico con acetona, n-hexano, xileno, tolueno, isopropanol y ésteres isopropílicos, isobutanol y ésteres isobutílicos y 2-heptanona), se ha encontrado, además de desmielinización segmentada o generalizada, inflamación de los axones, algunos de los cuales aparecen rellenos de neurofilamentos. Esta masiva hiperplasla de microfilamentos, observada en los ensanchamientos paranodales de los axones de los nervios sural, tibial y otros, parece ser el primer paso de la neuropatía por disolventes, del que secundariamente deriva la destrucción de la mielina, desencadenándose una degeneración retrógrada. Al parecer, el metabolito tóxico penetra por el nódulo de Ranvier en el axón y lesiona por contacto los neurofilamentos, obstruyéndolos e interrumpiendo el flujo axoplásmico, lo que produciría la degeneración distal en SNP y SNC. Se acepta este mecanismo para el n-hexano y la acrilamida, sin embargo, el TOPC además de inhibir a la colinesterasa, basa su acción en la inhibición de la NTE que hemos visto en el apartado a). Se asocia con trastornos psíquicos como inestabilidad emocional, alucinaciones, etc. La administración de L-dopa mejora la sintomatología. Un compuesto mal denominado «heroína sintética», el l-metil-4-fenil-1,2,3,6-tetrahidropiridina (MPTP) también produce un síndrome parecido al Parkinson. En su metabolismo se origina un ion piridinio que penetra y degenera las neuronas dopaminérgicas de la sustancia nigra y del locus ceruleus. El metabolito formado es el 1-metil-4fenilpiridinio (MPP+), que utiliza el transportador de la dopamina y penetra y se acumula en la matríx mitocondrial de las células gliales del cerebro, donde interrumpe la cadena de transporte de electrones y la producción de ATP, con incremento de los niveles de TNF-α, citoquina proinflamatoria, conduciendo a atrofia neuronal. La 1-metil-4-fenil-1,2,3,6-tetrahidropiridina (MPTP) presente como impureza en la meperidina, utilizada como heroína, se transforma en el cerebro, en los astrocitos, por oxidación, en 1-metil-4-fenilpiridina (MPP+) que genera especies reactivas de oxígeno, las cuales pueden provocar necrosis celular. La MPTP, como otras moléculas que contienen piridina o isoquinolina, y los derivados de la β-carbolina, son análogos al neurotransmisor dopamina y pueden utilizar el mismo transportador que ésta para penetrar en las neuronas dopaminérgicas, lesionarlas y provocar una forma de enfermedad de Parkinson. Así, la 1,2,3,4-tetrahidroisoquinolina (TIQ), que se encuentra en los opiáceos y como contaminante en algunos alimentos, se metaboliza en el cerebro por la 2-metiltransferasa a 2-metil-TIQ, la cual produce sobre las células dopaminérgicas gliales del cerebro el mismo efecto que la MPTP. También, el insecticida agrícola de origen vegetal rotenona (véase capítulo 2, Toxicidad de sustancias naturales) interrumpe la cadena electrónica, degenera las neuronas pigmentadas dopaminérgicas y provoca acumulación de α-sinucleína, conocida como cuerpos de Lewy, signo clásico de las neuronas del Parkinson. d) La absorción de manganeso produce encefalopatía, con degeneración neuronal en varios núcleos de encéfalo y cerebelo (células de Purkinje) y producción de síntomas extrapiramidales y de parkinsonismo. También inhibe varias enzimas sintetizadoras de neurotransmisores (catecolaminas y dopamina) (véase apartado a. 1. 1. 3). e) La intoxicación por plomo presenta muy diferente cuadro según que el agente se encuentre en forma de compuesto inorgánico (sal u óxido) o en forma orgánica (tetraetilplomo). Los primeros originan, fundamentalmente, lesión hepática y renal, y secundariamente neuropatía y encefalopatía. Las formas orgánicas, por su liposolubilidad, 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 254 254 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL afectan el SNC y el SNP. El cerebro inmaduro de los niños es particularmente sensible y la encefalopatía suele transcurrir con daño cerebral permanente, tras la aparición de edemas, necrosis laminar y desmielinización. Como secuelas pueden quedar deficiencias sensoriales, incluida ceguera y pérdida de audición, y dolores erráticos. f) El trietilestaño origina importantes lesiones en la sustancia blanca cerebral y en los axones periféricos, aunque parece ser más tóxico para la glía y mielina del SNC que para las neuronas. Se supone que ejerce su efecto por inhibición de la ATPasa de la astroglia y de los túbulos axonales; origina extenso edema intersticial, vacuolización y degeneración esponjosa. Por su parte, el trimetilestaño es más neuronotóxico, ya que lesiona a los cuerpos neuronales del SNC además de a la glía. La degeneración neuronal se desarrolla a través de apoptosis, con fragmentación del ADN, que parece ser exacerbada (Galli et al., 1996) por una fracción proteica, el «factor antitumoral» liberado por el trimetilestaño de las células gliales. g) El sulfuro de carbono, disolvente industrial de amplio consumo, da origen en el hombre a polineuritis, temblores y psicosis, con trastornos que recuerdan los de la deficiencia de tiamina y responden a la administración de ésta, aunque la absorción crónica produce lesiones orgánicas evidentes, pudiendo observarse mayor afectación del axón que de la vaina de mielina. Al igual que las dicetonas antes citadas, el sulfuro de carbono (S2C) forma un entrecruzamiento (cross-linking) con las proteínas axonales, originando un ditiocarbamato al unirse a la lisina. h) Los compuestos arsenicales (pero no la forma elemental), y especialmente de las especies químicas con arsénico trivalente, son ampliamente tóxicos para diferentes tejidos, por su afinidad con los grupos tioles de las proteínas. Bloquean varias enzimas como la piruvato y succinato oxidasas, implicadas en el metabolismo energético; esto origina una neuritis distal de tipo sensitivo. En la intoxicación severa aparecen parálisis motoras que afectan primeramente los músculos peroneos y extensores de los dedos de los pies, a diferencia de las neuritis periféricas por plomo o alcohol, que afectan primero los flexones de los pies y extensores de las manos. La neuritis también es muy similar a la producida por deficiencia de tiamina (vitamina B1) que, como se sabe, es coenzima esencial en la oxidación del pirúvico y cuyo déficit interrumpe el ciclo de Krebs. i) Encefalopatía hepática. Es un síndrome con afectación cerebral producido como consecuencia de una insuficiencia hepática. Anatomopatológicamente consiste en una proliferación difusa y agrandamiento de los astrocitos en cerebro y cerebelo, de carácter muy específico, no observado en otras afecciones. Inicialmente no se aprecian lesiones neuronales, aunque pueden extenderse a la médula, donde se produce desmielinización y destrucción de axones. La sintomatología clínica es muy compleja y variada e incluye alteraciones psiquiátricas, con cambios de la personalidad, humor, sueño, capacidad intelectual, y neurológicas, con temblores, hiperreflexia (rueda dentada y Babinski) y coma (coma hepático), situación extrema de esta patología, con disminución de la conciencia, de los restantes reflejos y de las respuestas a los estímulos. Se produce cuando, por causa aguda o crónica, el hígado no puede metabolizar y destoxicar los compuestos endógenos y exógenos, especialmente los nitrogenados, amoníaco, aminoácidos aromáticos (fenilalanina, tirosina). La insuficiencia renal contribuye por retener compuestos amoniacales. j) Encefalopatías anfetamínicas. Tras la absorción de derivados anfetamínicos como el éxtasis o MDMA y otros, se produce liberación de serotonina con bloqueo de su recaptación, lo que desencadena un síndrome hipertérmico (véase Capítulo 16). En animales se ha visto una degeneración de terminales de neuronas serotoninérgicas en varios lugares del cerebro; en periodo de abstinencia se encuentran en el hombre bajos niveles de este transmisor, y dado que el mismo participa en la regulación de la conducta, puede temerse la aparición de depresión y conductas suicidas entre los usuarios de la droga. Por otra parte, la MDMA provoca liberación de la hormona antidiurética (ADH) por la hipófisis, lo que conduce a oliguria, y ésta a una dilución de electrolitos, que se ha visto origina una encefalopatía hiponatrémica, que se favorece con la exce- 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 255 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO Tabla 7.2. Medicamentos neurotóxicos 255 Efectos neurológicos de algunos medicamentos Depresores del SNC Estimulantes del SNC Reacción extrapiramidal Aminoglucósidos Alcohol Anfetaminas Antidep. tricíclicos Cloranfenicol Antidepresivos Anestésicos locales Haloperidol Cisplatino Antihistamínicos Anoréxicos Loxapina Cicloserina Antipsicóticos Broncodilatadores Disulfiram (xantinas) Metildopa Fenotiazinas Etambutol Metoclopramida Lindano Rauwolfia Piridoxina (g. dosis) Quinacrina Vacuna DTP Nota.- En el sistema nervioso se distingue una vía piramidal, que conecta la corteza cerebral con la médula espinal, y una vía extrapiramidal, que parte de los núcleos basales del encéfalo y cuya alteración por neurolépticos, anticonvulsivantes, antiarrítmicos, etc. produce unos síndromes hipertónico-hipocinético o a la inversa hipotónico-hipercinético, con disminución de fuerza y tono muscular, movimientos involuntarios (alteraciones posturales, temblores, etc.) como los típicos de la enfermedad de Parkinson. siva ingesta de agua, estimulada por la hipertermia y la actividad física (baile). Las acciones, algunas muy complejas, de diversos medicamentos sobre el sistema nervioso se recogen en la Tabla 7.2. PATOLOGÍAS TÓXICAS DE LA FUNCIÓN PULMONAR Elementos anatomofisiológicos Cada uno de los pulmones de un hombre de 70 kg pesa unos 500 g. Al igual que otros órganos en contacto más o menos directo con el exterior, como la piel, el estómago, etc., el pulmón realiza diversas funciones en relación con los xenobióticos, que podemos resumir así: a) Es vía de entrada y salida de sustancias: los dos pulmones presentan, globalmente, una superficie mucosa de 100 m2 de contacto con el aire; a su través se absorben gases (O2, CO, CO2, CNH, etc.) y vapores (éter, etanol, benceno, etc.), preferentemente liposolubles, y se eliminan los mismos y algunos de sus metabolitos, así como excretas metabólicas, como vapor de agua, dióxido de carbono, más ciertos compuestos lipídicos y aminas. b) Es lugar de acción tóxica por contacto de sustancias irritantes y cáusticas o corrosivas (amoníaco, halógenos, óxidos de azufre o de nitrógeno, etc.). c) Es órgano diana de tóxicos que circulan por vía sistémica (p. ej., paraquat) e incluso metabolitos de xenobióticos que han sido toxificados en otros órganos (p. ej., los alcaloides de pirrolizidina, activados en el hígado). Se dice que estas sustancias poseen una capacidad selectiva de daño pulmonar. d) Tiene gran actividad de biotransformación (toxificación o destoxicación) de distintos tipos de sustancias, que después pueden producir lesiones locales o sistémicas. e) Es capaz de retener y acumular diferentes compuestos, especialmente lipófilos y aminas (p. ej., etanol, morfina, etc.), cuya concentración tisular puede aumentar incluso después de la muerte. El sistema respiratorio está integrado por el árbol o vías respiratorias, pulmones, músculos, nervios y vasos sanguíneos y linfáticos; posee unos 40 tipos diferentes de células, aunque las lesiones tóxicas pueden producirse, o al menos iniciarse, en sólo algunos de ellos. El aire penetra por la orofaringe (vía nariz o boca) y, tras pasar por la tráquea, se encuentra con el árbol bronquial (bronquios y bronquiolos), que termina en los alveolos, sacos aéreos cuyo diáme- 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 256 256 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL tro es tan pequeño, que sus paredes se atraen, y según la ley de Laplace, quedarían adheridas y el alveolo colapsado si no fuera porque la pared está embadurnada por dipalmitato de lecitina (dipalmitoilfosfatidilcolina), agente surfactante o tensioactivo; los niños que nacen sin capacidad para segregar esta sustancia no pueden llegar a respirar; las personas que aspiran hidrocarburos, aceites o detergentes, sustancias que neutralizan la actividad del palmitato de lecitina, experimentan una neumonitis lipídica, con aguda y grave disminución de la capacidad respiratoria. La entrada de aire en los pulmones es un proceso activo, en el que los músculos intercostales y el diafragma aumentan el volumen pulmonar; los tóxicos que contracturan o tetanizan esta musculatura (toxina tetánica, estricnina), o los que deprimen el centro nervioso bulbar que rige los movimientos respiratorios, como la toxina botulínica, los anestésicos, hipnóticos, tranquilizantes y todos los depresores del SNC, incluido el etanol a grandes dosis, pueden producir insuficiencia o paro respiratorio. Determinados olores, como el ácido sulfhídrico, pueden inhibir el nervio vago con paro diafragmático y muerte súbita. Todo el árbol respiratorio, a excepción de los bronquiolos y alveolos, está cubierto de epitelio ciliado vibrátil; las paredes de los alveolos poseen un epitelio formado principalemte por unas células grandes, escamosas, conocidas como neumocitos tipo I, y en menor proporción por otras más pequeñas, cuboidales, los neumocitos tipo II, más las de tipo III en algunas especies animales, que se hallan dispersos entre los primeros. Las células I son planas, forman la pared del alveolo y permiten el intercambio de gases entre el espacio aéreo y la sangre de los vasos; las células tipo II son redondeadas y se localizan en el margen del alveolo con la función de segregar el surfactante fosfatidilcolina, el transporte activo de agua e iones y la regeneración del epitelio; la fosfatidilcolina disminuye la tensión superficial para mantener desplegado el alveolo y para proteger al tejido de la acción directa de los tóxicos por contacto. Bajo esta «barrera epitelial» se encuentra el endotelio y el intersticio. Éste está formado por una mezcla compleja de proteína soluble, proteína estructural insoluble (colágeno, elastina, proteoglicanos), células contráctiles, fagocitos, fibroblastos y metabolitos celulares difusibles; las macromoléculas intersticiales y el sistema linfático juegan un papel muy importante en el movimiento y retención de líquidos y solutos. En el último tramo de los bronquiolos disminuye el epitelio vibrátil, que es sustituido por células epiteliales granulosas, de gran actividad metabólica y secretora, conocidas como células de Clara. Estas células no ciliadas del epitelio broquiolar; expresan altos niveles de CYP por lo que se consideran como el principal lugar de biotransformación de xenobióticos en los bronquíolos (Figs. 7.23 y 7.24). Unas glándulas situadas en la capa submucosa de la tráquea y grandes bronquios segregan un moco, bajo un control parasimpático colinérgico; la estimulación fisica o por fármacos parasimpaticomiméticos, como acetilcolina, pilocarpina, metacolina, organofosforados, etc., aumenta la secreción y el contenido en glucoproteína; estos efectos pueden ser bloqueados por anticolinérgicos como la atropina. Sustancias irritantes como NH3, SOX, O3, cromatos, etc., incrementan la secreción y pueden espesarla, pero sustancias como el cloruro amónico disminuyen la viscosidad por hidratación o disociación de enlaces. Por procesos fisicoquímicos de gradientes de densidad y por el empuje de los cilios vibrátiles, el moco sube hasta la garganta, por lo que recibe el nombre de moco escalador, y puede ser expulsado junto con sustancias extrañas que hubiese retenido y arrastrado. Los pulmones disponen de dos grupos funcionales de macrófagos. El primer grupo corresponde a los alveolares, que se desplazan por la capa de agente surfoactivo que cubre el alveolo y fagocitan las partículas inhaladas que llegan hasta aquí; son expulsados al exterior con el moco escalador o absorbidos por el sistema linfático. El otro grupo de macrófagos reside en el tejido conectivo. Diseminadas por el pulmón hay también células neuroendocrinas que, en determinadas circunstancias (hiperoxia, tumor), segregan hormonas. Procesos tóxicos en el pulmón Las lesiones tóxicas pulmonares se pueden producir tanto cuando los agentes llegan por vía inhalatoria como cuando lo hacen por vía sistémica; en ellas podemos distinguir dos grandes grupos: las que afectan a las vías aéreas y las que lesionan el tejido o parénquima pulmonar (Figs. 7.25 y 7.26). 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 257 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO Figura 7.23. Aparato respiratorio. Arteriola pulmonar Vaso linfático Bronquiolo terminal Músculo liso Vénula pulmonar Bronquiolo respiratorio Sacos alveolares Tabique interalveolar Bronquiolo respiratorio Conducto alveolar Capilares alveolares Figura 7.24. Fondo pulmonar. 257 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 258 258 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL DIRECTA Obstructiva Lipídica Metabólica Secuestro Caústica Citotóxica Osmótica DIANA INDIRECTA Moco Cilios Nerviosa Metabólica Inmunitaria Cancerogénesis Neumocitos Vasos Alveolo EDEMA REVERSIÓN ENFISEMA FIBROSIS Figura 7.26. Mecanismos y dianas de las patologías tóxicas pulmonares PROCESOS QUE AFECTAN A: Obstrucción por Edema (agudo) Fibrosis i y t i y t i u u y u u t Tejido alveolar Constricción i y t • Vías aéreas moco cilios lesión primaria lesión secundaria Enfisema (crónico) Atelectasia Figura 7.25. Tipos de procesos tóxicos del pulmón. Las vías aéreas pueden experimentar constricción (por irritación del nervio vago que hace contraerse al músculo liso que rodea al bronquio) como respuesta a agentes físicos o químicos, con lo que, al disminuir su diámetro, se dificulta el tránsito del aire. Una reacción de este tipo se presenta en los procesos asmáticos. Los irritantes y las reacciones inmunitarias pueden originar además edema laríngeo y laringoespasmo que causa asfixia. Por otra parte, los agentes tóxicos pueden ocasionar en bronquios y bronquiolos procesos obstructivos por afectación del moco y de los cilios vibrátiles. Los irritantes provocan hipersecreción de moco que dificulta la aireación; algunas sustancias, como SO2, reacionan con el moco, espesándolo directamente o haciendo a su glucoproteína ácida resistente a la sialidasa, enzima que normalmente lo fluidifica; todo lo cual interfiere su escalada. En los bronquios, los elementos más vulnerables son las células ciliadas; numerosas sustancias, como SOx, NOx, formaldehído, trazas de vapores de metales (Cd, Cr, Ni), y humos, como el del tabaco, que las contiene, resultan ciliotóxicas. En primer lugar se produce parálisis de la vibración (ciliostasis) y posteriormente la rotura y desaparición del cilio, que cae a la luz de la vía. Por su parte, en el alveolo, las células más sensibles a los agentes inhalados o a los sistémicos son los neumocitos epiteliales tipo I y las endoteliales de los vasos; los neumocitos tipo II, las células de Clara y los macrófagos alveolares son más resistentes. Cuando se lesionan y destruyen los neumocitos tipo I, los del tipo II resisten, proliferan y cubren las áreas privadas de aquéllos. Por vía inhalatoria los SOx afectan el tramo superior del tracto respiratorio, mientras que los halógenos, fosgeno, NOx, O2 puro y O3 penetran hasta los bronquiolos terminales y sus alveolos. Por vía sanguínea el antioxidante butilhidroxitolueno (BHT), la bleomicina, el metilisocianato, el N-nitroso-N-metiluretano, el paraquat, etc., lesionan primariamente el epitelio alveolar, y probablemente afectan también el endotelio vascular e intersticio, en grado variable. Las alteraciones en la estructura y función de la membrana epitelial o de la microvascular permiten el paso de líquidos y solutos e incluso sangre entre los compartimientos vascular, intersticial y alveolar, originando edema, y posteriormente fibrosis, que puede ser progresiva. Como otros ejemplos de alveolitis irritativas, citaremos: El fosgeno (COC12) se hidroliza en CO2 y ClH; éste lesiona las células alveolares y produce edema, aunque al ser la lesión mucho mayor que cuando se inhala ClH, se piensa en un mecanismo radicalario. 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 259 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO Altas concentraciones de oxígeno, el ozono y los óxidos de nitrógeno causan peroxidación lipídica en las membranas celulares. El percloroetileno origina radicales libres que también dan lugar a edema. El asma es una dificultad respiratoria consecuente a la contracción de la musculatura lisa bronquial; puede deberse a varios mecanismos, principalmente a irritación, alergia o a trastornos en la liberación de los mediadores fisiológicos. El asma irritativo se origina por la exposición a gases y vapores, incluso por aerosoles cosméticos; se acepta que se produce por un reflejo vagal que libera acetilcolina, la cual contrae la musculatura lisa bronquial. Otros gases, como los isocianatos, poseen actividad adrenérgica; las fibras de algodón inhaladas inducen liberación de mediadores como la histamina y la SRS-A, lo cual enlaza este asma con la alergia. El asma alérgico encaja en los tipos I y III de reacciones de hipersensibilidad; numerosos polvos orgánicos y partículas vegetales y microhongos desencadenan reacciones de tipo I con liberación de histamina por acción de la IgE e inmediatamente se produce rinitis y broncoespasmos, con vasodilatación, edema, secreción mucosa aumentada e infiltración de eosinófilos, y llega a la insuficiencia respiratoria e hipoxemia. Las reacciones tipo III son más dificiles de diagnosticar por ser retrasadas. Desde hace años se están produciendo afecciones respiratorias y dérmicas (véase apartado Patologías de la piel) consecuentes al empleo, hoy prohibido, de resinas de urea-formaldehído como barnices y como espumas aislantes en las paredes de los edificios, originadas tanto por la resina como por la lenta liberación del exceso de los reactivos. El edema pulmonar se origina por el paso a los espacios alveolares de líquido seroalbuminoso que trasuda de los capilares. El líquido inunda los alveolos y bronquios, reduciendo el espacio aéreo y produciendo insuficiencia respiratoria. Al mezclarse el líquido con el aire se forma espuma muy persistente. En general, los edemas se producen por diversos procesos hipertensivos, disminución de la presión oncótica del plasma y por aumento de la permeabilidad de los capilares. Ésta se origina en procesos inflamatorios pulmonares infecciosos, alérgicos y 259 por inhalación de gases o vapores irritantes o cáusticos, como halógenos (cloro, bromo), fosgeno, ozono, óxidos de azufre o de nitrógeno, amoníaco, bromuro de metilo, metilisocianato, etc., y vapores metálicos y también tras la anoxia producida por los depresores del centro respiratorio. Se ha visto que en muchos edemas tóxicos de pulmón están implicados procesos de lipoperoxidación consecuentes a la intervención de O2, O3, formas de oxígeno activo y reacciones por radicales libres, desencadenadas por paraquat, nitrofurantoína, etc. Este aumento de la permeabilidad o de la difusión puede deberse a disminución de la resistencia osmótica, a ruptura anatómica o a destrucción del endotelio vascular, del intersticio o del epitelio alveolar, por ejemplo, por anafilaxia o anoxia, como las producidas por la heroína, frecuente causa de muerte de drogadictos («pulmón de heroinómano»), que presenta también restos de contaminantes de la droga. Una forma de medir el edema pulmonar en toxicología experimental consiste en determinar gravimétricamente el agua de los pulmones, o un trozo de ellos, antes y después de desecarlos en una estufa o en un desecador, expresando el agua como % = = (peso húmedo – peso seco)  100/peso húmedo. Además de estas etiologías irritativas, cáusticas u oxidativas, que pueden considerarse causantes de la lesión primaria o directamente tóxica del edema pulmonar y de la neumonitis intersticial, también debe tenerse en cuenta una etiología inmunitaria con su habitual cascada de acontecimientos y liberación de mediadores que incrementan la permeabilidad. El proceso, según su intensidad, puede ser reversible o irreversible y letal, constituyendo lo que se denomina neumonitis por hipersensibilidad o eosinofílica; se desencadena por productos muy diversos, como formaldehído, morfina o heroína, penicilamina, bleomicina, betabloqueantes (que pueden ocasionar severo broncoespasmo), metrotexato, inhibidores de la enzima convertidora de la angiotensina (ECA), etc. En todos los procesos irritativos o por hipersensibilidad, el primer síntoma es la tos, que puede hacerse crónica. Como proceso reparativo de estas lesiones se producen alteraciones del colágeno del parénquima, que se transforma en tejido fibrótico, causante de una fibrosis residual o en su caso progresiva. Esto da lugar a engrosamiento de la pared alveolar, 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 260 260 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL lo que impide la hematosis, y a la aparición de un exudado fibrinoso intraalveolar, junto con modificaciones del colágeno intersticial. Numerosos medicamentos como ergotamina, metilsergida, hidralazina, sulfamidas y antibióticos, esteroides, anfetaminas, penicilina, bleomicina, etc., originan por vía sistémica fibrosis en distintos óganos. Las bronconeumopatías crónicas obstructivas se asocian a la formación de enfisema; éste consiste en la aparición de espacios aéreos producidos por dilatación de los alveolos o por desaparición de sus tabiques; estos espacios o sacos no son funcionantes. El enfisema se produce con gases y vapores tóxicos en cantidades mucho menores que las necesarias para originar edema, pero absorbidas de forma crónica; otra diferencia con el edema es que éste produce fibrosis mientras que el enfisema no. Uno de los agentes de enfisema más frecuentes es el humo del tabaco, que contiene elevado número de irritantes orgánicos e inorgánicos; otros agentes muy potentes son los óxidos de nitrógeno. El mecanismo de formación del enfisema es el siguiente: los compuestos aludidos atraen a los macrófagos o fagocitos alveolares, incrementando su número y estimulándolos a producir enzima elastasa, proteasa capaz de digerir las paredes de los alveolos; su actividad es regulada por otra enzima, la alfa-1-antitripsina. La exposición crónica a humos irritantes inhibe la α-1-antitripsina, con lo que la elastasa queda libre para hidrolizar las paredes alveolares; el tejido afectado en el enfisema es el conectivo, especialmente el elástico. El 3 % de la población presenta el genotipo Z con baja actividad de α-1-antitripsina, por lo que está predispuesta al enfisema. Inversamente, cuando los alveolos pierden su espacio por colapso de sus paredes al destruirse el surfactante, o por relleno por tejido fibrótico, neoplasias, sarcoidosis, tapones mucosos, etc., el proceso se denomina atelectasia. Recordemos que los pulmones representan una importante vía de absorción, no sólo para gases sino también para esteroides, plaguicidas, medicamentos, etc. También se ha visto que diversas sustancias se acumulan preferentemente en el pulmón, alcanzando concentraciones superiores a las de la sangre. Principalmente son aminas lipófilas, con pKa > 8, imipramina, metadona, morfina, nicotina, anfeta- minas, flufenazina, paraquat, amiodarona, etc. Parece que el grupo catiónico de la amina reacciona con los grupos negativos de los fosfolípidos; este tropismo también tiene lugar en el cadáver. Por esta causa, la absorción crónica de dichas aminas conduce a una fosfolipidosis consistente en un aumento de los fosfolípidos en los macrófagos alveolares, que adquieren la apariencia de «células espumosas». Éstas también las produce el colesterol, y se visualizan en el lavado broncoalveolar. Por otra parte, la acumulación de estas sustancias en el pulmón perjudica el clearance de sustancias vasoactivas, como la 5-hidroxitriptamina o la noradrenalina, bien por acción sobre el sistema de transporte y/o el metabólico de degradación. Se ha visto que, de forma recíproca, tanto las sustancias vasoactivas como las aminas citadas parecen disminuir la absorción de paraquat por el pulmón. Además, el tejido pulmonar posee una gran actividad metabólica, que probablemente no se diferencia de la hepática más que en relación con el sistema citocromo; el sistema de oxidasas de función mixta (MFO) hepático responde mejor a los inductores que el pulmonar, cuya actividad cuantitativa es menor; los sistemas epoxi-hidrasa y glutatión-S-transferasa de ambos órganos son menos inducibles que el MFO del hígado. Esta gran actividad bioquímica interviene en la biotransformación de xenobióticos, bien para destoxicarlos, bien para incrementar la actividad neumotóxica. Consecuentemente el pulmón puede resultar lesionado por sustancias tóxicas inhaladas, por sustancias que han sido activadas en el hígado o por sustancias relativamente inertes que son activadas en el propio pulmón. Ejemplo de estas dos últimas son: I. Activación hepática: como ejemplo tenemos la que sufren los derivados de la pirrolizidina, sustancias poco reactivas que se encuentran en numerosas plantas, especialmente de las familias Boragínácea (Borago oficinalis, Heliotropium europaeum, etc.), Asterácea (senecios) y Fabácea (crotolarias), algunas usadas como medicinales o para infusiones o alimento del ganado. Poseen naturaleza alcaloide, con una estructura básica de dos anillos de cinco miembros, que comparten un N en posición 4 (Fig. 7.27), esterificados con ácidos mono o dicarboxílicos; por biotransformación hepática, mediante las MFO, experimentan deshidrogenación nuclear, originando 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 261 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO Figura 7.27. Estructura de pirrolizidina. un ion carbonio muy electrófilo, alquilante de moléculas nucleófilas de hígado y pulmón. Producen así teratogénesis y carcinogénesis, pero muy particularmente afectación del epitelio vascular, por lo que se les ha denominado angiotoxinas; dan lugar a una remodelación de los vasos de los citados y de otros órganos, con aumento de la musculatura de arterias y arteriolas, hipertrofia del epitelio y aumento generalizado de las paredes vasculares, que conduce al síndrome venooclusivo, con aumento de la resistencia a la circulación sanguínea, hipertensión, edemas, «cor pulmonale», necrosis hemorrágica y muerte. A pesar de que el tóxico se elimina de la sangre en aproximadamente 24 horas, la sintomatología no se manifiesta hasta días o semanas después. II. Activación pulmonar de sustancias r elativamente inertes: presentaremos dos ejemplos muy significativos: 261 aductos covalentes con las proteínas titulares. Tras absorción por vía oral o parenteral es oxidado por las monooxigenasas dependientes del citocromo P450, a un epoxiderivado muy reactivo que se une covalentemente, alquilando las proteínas microsómicas de pulmón y riñón; el mismo efecto ejercen el antiséptico nitrofurantoína y otros furanos. Este proceso (metabólico y alquilante) ocurre preferentemente en las células de Clara, del epitelio no ciliado de los bronquiolos terminales, cuyas monooxigenasas-cit. P-450 poseen gran actividad. Por esta causa las células de Clara resultan más susceptibles al tetracloruro de carbono, a hidrocarburos aromáticos y sus derivados halogenados y a nitrosaminas. El mecanismo parece que puede ser detenido por el glutatión (GSH), que reacciona con el metabolito electrófilo alquilante produciendo conjugados solubles en agua, y evitando el ataque a las macromoléculas biológicas. En el proceso interviene la enzima glutationreductasa, que puede ser inhibida por sustancias como el anticanceroso N,N-bis(2-cloroetil)-N-nitrosourea (BCNU); este quimioterápico alquilante origina displasia (anomalías) en el epitelio alveolar y fibrosis intersticial y pleural. Activaciones similares a la citada son experimentadas por 3-metilfurano, BHT, naftaleno, paraquat, etc. IIa. 4-Ipomeanol (Fig. 7.28). Es una hidroxipentanona derivada del furano que se ha aislado originalmente de las batatas (Ipomea batatas) contaminadas por el hongo Fusarium solana . Es extraodinariamente organotrópica hacia el pulmón, donde produce edema y hemorragia, después de ser biotransformado en las células de Clara por oxidación mediante CYP4B1 (en roedores) a un α,βdialdehído insaturado, muy reactivo que forma IIb. Paraquat. Este bipiridilo (Fig. 7.29), base de amonio cuaternario empleado como herbicida, resultó ser un extraordinario revulsivo en los conocimientos toxicológicos, no sólo por convertirse en el modelo de los mecanismos de toxicidad basados en las reacciones radicalarias (Capítulo 6), sino porque, dado que estas reacciones no son inmediatas, pues a veces requieren hasta 15 días, hubo que ampliar el plazo de espera de presentación de intoxicaciones agudas (tras una dosis única), y valorar el concepto de «tiempo de latencia». Sus células diana preferentes son los neumocitos I y II y las de Clara. Figura 7.28. Ipomeanol. Figura 7.29. Paraquat. 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 262 262 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL El paraquat se acumula en los pulmones en concentraciones 6-7 veces superiores a las de la sangre, gracias a la actuación de unas proteínas transportadoras que también favorecen la entrada de poliaminas en el tejido pulmonar, específicamente en las células tipo I y tipo II; estas poliaminas se asemejan al paraquat en que en sus moléculas poseen dos átomos de nitrógeno cuaternario separados por una cadena alquílica, de dos a cuatro grupos metilénicos, o anillos aromáticos. El paraquat daña a los neumocitos tipo I pero no a los de tipo II; posteriormente se instaura una fibrosis en intento de reparar el daño. Aspiración de partículas La inhalación de materia particulada presenta especial interés. Las partículas con un diámetro aerodinámico superior a 10 micras alcanzan hasta el principio de los bronquiolos, y sólo las de un tamaño comprendido entre 1 y 2 micras llegan a los alveolos; las partículas menores entran y salen del pulmón sin ser retenidas (Fig. 7.30). Las partículas depositadas en los alveolos pueden penetrar en la membrana y ser fagocitadas o quedar secuestradas en el tejido originando neumoconiosis, enfermedades pulmonares específicas según la naturaleza de la partícula; así las de carbón producen antracosis, las de hierro siderosis, las de berillo beriliosis, las de cáñamo cannabiosis, las de polvo de caña de azúcar bagazosis, las de sílice silicosis, etc. Estas enfermedades pulmonares son reconocidas como enfermedades profesionales por la legislación laboral; su gravedad es mayor en los casos en que se acompañan de fibrosis, como en la silicosis, porque la insuficiencia respiratoria se hace más importante. En DEPÓSITO ALVEOLAR PENETRACIÓN MEMBRANA ALVEOLAR MACRÓFAGO ALVEOLAR DISOLUCIÓN EN FLUIDO PULMONAR EFECTOS LOCALES TRANSPORTE A EPITELIO CILIADO SECUESTRO EN TEJIDO — FARMACOLÓGICO — TÓXICO — IRRITANTE TRANSP. A FARINGE POR MOCO ESCALADOR METABOLISMO LOCAL EXPECTORADO ENFERMEDAD PULMONAR ESPECÍFICA TRAGADO NEUMOCONIOSIS HECES TUBO DIGESTIVO SANGRE ORINA EFECTOS SISTÉMICOS SANGRE ORINA Figura 7.30. Destino de partículas inhaladas inferiores a 2 micras de diámetro. 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 263 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO ésta se produce una reacción inmunitaria del tejido, que forma nódulos alrededor de cada partícula de sílice. Cuando las partículas absorbidas se disuelven en el fluido alveolar pueden originar trastornos tóxicos locales o pasar a la sangre y producir intoxicación sistémica. Las sustancias insolubles retenidas por los macrófagos y el moco pueden subir hasta la garganta, y en el caso de ser tragadas y digeridas en el estómago afectan también por vía sistémica. Fiebre del soldador. Fiebre por metales, etc El humo y el polvo de óxido de cinc (en concentraciones de más de 400 mg/m3) produce la «fiebre del Zn», que se supone es debida a la liberación de pirógenos por los macrófagos pulmonares al ser lesionados por las partículas del compuesto metálico. Después de corto tiempo de latencia, aparece la sintomatología, que recuerda a una gripe: tos, disnea, fiebre, dolor articular, náusea, vómito, confusión mental, etc., y profusa sudoración, todo lo cual persiste 24 horas. Tabla 7.3. Ejemplos de tóxicos pulmonares. Célula diana Células de Clara (bronquiolos) 263 Tabla 7.4. Medicamentos potencialmente productores de patogénesis pulmonares. Medicamentos productores de: Neumonitis por hipersensibilidad Fibrosis Acumulación en pulmón y fosfolipidosis Opiáceos Ergotamina Metadona Bleomicina Metilsergida Morfina Betabloqueantes Anfetaminas Inhibidores de ECA Hidralazina Anfetaminas Imipramina Metrotexato Bleomicina Nicotina Penicilamina Penicilina Flufenazina Otros antibióticos Amiodarona Sulfamidas Esteroides También producen la fiebre del soldador o del fundidor los vapores de otros metales, como hierro fundido, As, Sb, Be, Cd, Co, Mn, Hg, Ni, Sn. Un síndrome similar aparece tras la inhalación de productos de pirólisis de polímeros fluorados, como el teflón, en cuyo caso se ha denominado fiebre por humo de polímeros. El tratamiento es sintomático: antihistamínicos, etc., y evitar la exposición. Las Tablas 7.3 y 7.4 resumen los lugares de acción de diversos tóxicos lesivos para las estructuras pulmonares, así como los efectos indeseables de algunos medicamentos. Agente tetracluro de carbono bromobenceno 4-ipomeanol naftaleno dicloroetileno 3-metilfurano Epitelio alveolar busulfán paraquat clorfentermina clorciclicina O3 butilhidroxitolueno (BHT) NO2 trialquilfosforotioatos cloroetil-N-nitrosourea Endotelio pulmonar pirrolizidina α-naftiltiourea O2 concentrado HEPATOPATÍAS TÓXICAS Recuerdo anatómico y fisiológico El peso normal del hígado de un hombre sano de 70 kg es aproximadamente de 1,5 kg y contiene unos 50.000 lobulillos. Dispone de generosa irrigación sanguínea (aproximadamente 1,5 litros por minuto), de la cual, un tercio proviene de la arteria hepática y dos tercios proceden de la vena porta, por lo que es el órgano más expuesto a los tóxicos que se absorben por vía oral. Esto, y el ser el órgano donde principalmente se bioactivan los xenobióticos, explica la mayor incidencia de afectaciones tóxicas. Además, el endotelio de los vasos sinusoides hepáticos, que distribuyen la 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 264 264 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL sangre por el órgano, carecen de membrana basal, y las células son fenestradas, lo que permite el contacto directo de compuestos circulantes con los hepatocitos. La mayoría de las células de su parénquima se mantienen en fase G0 o de descanso, pero cuando el órgano experimenta algún trauma o necrosis por virus o tóxicos, se recupera o regenera en pocos días, gracias a la activación de los genes del ciclo celular por acción de las ciclinas, quinasas dependientes de ciclinas, p53, etc. Contiene una gran población de macrófagos, las células de Kupffer, que constituyen el 15% del total de células del órgano; se encuentran unidas a las células endoteliales de los espacios sinusoidales y, por tanto, directamente en contacto con la sangre circulante; Pueden ser activados por los xenobióticos e incrementar la toxicidad, pues además de su función como macrófagos, sintetizan y liberan mediadores proinflamatorios, como especies reactivas de oxígeno (ROS), especies reactivas de nitrógeno (RNS) y citoquinas, como el factor alfa de necrosis tumoral (α-TNF) y la interleuquina (IL)-1β. También presentes en el hígado hay neutrófilos o leucocitos polimorfonucleares (PMN), que son células inmunitarias circulantes y juegan un gran papel en los procesos inflamatorios, mediante la fagocitosis de microorganismos patógenos. Liberan citoquinas, especies reactivas de oxígeno (ROS) y enzimas proteolíticas, además contribuyen a la biotransformación de xenobióticos mediante sus enzimas mieloperoxidasas. Cuando son activados por citoquinas proinflamatorias liberan ROS y proteasas, especialmente elastasa y catepsina G, que causan la muerte o necrosis de hepatocitos. La elastasa es una de las enzimas más destructora, pues degrada al colágeno. La célula propia del hígado es el hepatocito, de forma poliédrica plana, y la unidad funcional del órgano es el lobulillo, formado por una serie de columnas o pilas de hepatocitos dispuestas alrededor de una vena central o centrolobulillar (rama de la vena hepática), que lanza ramificaciones en sentido radial; las membranas de dos hepatocitos contiguos forman los canalículos biliares, de drenaje centrífugo; entre los lobulillos quedan unos espacios de fibras elásticas, por los que corren las arterias interlobulillares (procedentes de la arteria hepática) y las venas interlobulillares (tributarias de la vena porta), cuyo flujo es centrípeto (Fig. 7.31). El hepatocito está dotado de gran capacidad bioquímica, tanto con fines metabólicos como catabólicos, y sintetiza no sólo sus propias proteínas sino también la mayoría de las proteínas plasmáticas (glucoproteínas, lipoproteínas, enzimas, factores de la coagulación, el glúcido heparina, etc.), para lo que dispone de un gran retículo endoplásmico (red tubular de finas membranas) que puede presentarse con una superficie externa granular o rugosa (retículo endoplásmico rugoso, RER), por llevar adheridos ribosomas; cuando estos se liberan para sintetizar proteínas, el retículo endoplásmico queda liso (REL). Además de mitocondrias y lisosomas (cargados con enzimas hidrolasas ácidas), están los peroxisomas, orgánulos portadores de oxidasas (responsables de la betaoxidación de los ácidos grasos y otras oxidaciones, con formación de agua oxigenada) y de catalasas (que descomponen el agua oxigenada). Cerca de la membrana celular está el aparato de Golgi, que interviene en la síntesis de la bilis y de las glucoproteínas. Ante estímulos que requieran una mayor función, todos los órganos experimentan un aumento en el número de sus células parenquimatosas (hiperplasia) o un aumento en el volumen (hipertrofia). Al ser el hígado el órgano donde preferentemente se desarrollan las reacciones metabólicas, es lógico que, ante el estímulo de los tóxicos, responda con unas reacciones que, en ocasiones, significan un grave daño para el mismo, y además, por la formación local de metabolitos reactivos. Por ello, el hígado es el órgano que normalmente sirve de indicador de las alteraciones metabólicas inducidas por los tóxicos. El incremento del peso relativo de este órgano, aunque puede producirse como respuesta fisiológica a un aumento de su función o por efecto de reguladores endocrinos del tipo de las hormonas tiroideas o glucocorticoides, suele ser consecuente a hipertrofia e hiperplasia por causa tóxica. Ejemplos de xenobióticos productores de hepatomegalia (aumento del tamaño del órgano) son el fenobarbital y el plomo. El fenobarbital la provoca porque inhibe la apoptosis con intervención de la Bcl-2, con desarrollo de hiperplasia; por el contrario, el plomo actua como mitógeno, estimula la proliferación, activando la señal de transducción de la proteína quinasa C dependiente de calcio (PCK). Como consecuencia, 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 265 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO Vena porta 265 Arteria hepática Conducto interlobulillar Vena central Vena central Canal biliar Vena central Hepatocito Núcleo Espacio de Disse Fibras de colágena Arterias y venas interlobulillares Canal biliar Figura 7.31. Esquema simplificado al lobulillo hepático. se produce aumento de la división celular e hiperplasia. El hígado responde a los estímulos tóxicos con una proliferación del REL, para incrementar la síntesis y, consecuente actividad de las enzimas metabolizantes de xenobióticos. Esta proliferación puede progresar hasta alcanzar un grado patológico (manifestación de hepatotoxicidad), y entonces se produce una regresión en el nivel funcional adquirido; ello coincide con la afectación de las mitocondrias. Se considera que los agentes inductores de los procesos enzimáticos originan la citada proliferación del REL, a partir del RER, con el consiguien- 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 266 266 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL te aumento de enzimas metabolizadoras y citocromo P-450, junto con incremento de los fosfolípidos microsómicos. Por el contrario, otros hepatotóxicos producen dilatación y fragmentación de las membranas rugosas y lisas, junto con descenso en la síntesis de enzimas y de fosfolípidos, y liberación de fosfatasas. Por tanto, cuando un tóxico comienza a llegar en pequeñas dosis al hígado, éste puede incrementar su capacidad metabolizante por respuesta de su REL y estimulación de los sistemas enzimáticos apropiados, y se inicia el aumento de peso relativo del órgano (hepatomegalia). Cuando la capacidad destoxicante del hígado queda superada, comienza a fallar la glucosa-6-fosfatasa hepática (índice de lesión microsómica) y se producen francos cambios histopatológicos. Entre estos cambios, el aspecto de las mitocondrias se considera ahora como no específico; sin embargo, la determinación por técnicas histoquímicas de varias fosfatasas puede revelar la lesión de diferentes orgánulos celulares. Así, la inosina-difosfatasa indica lesión de la membrana nuclear y del RER; la tiamina-pirofosfatasa, del aparato de Golgi; la citidinamonofosfatasa, glicerolfosfatasa y otras fosfatasas no específicas, de los lisosomas; la ATPasa, de la membrana plasmática y canalículos biliares. En definitiva, numerosos hepatotóxicos lesionan la membrana del RE y afectan las fosfatasas microsómicas relacionadas con los fosfolípidos constituyentes en las membranas. Cuando se produce lesión hepatocelular, se disminuye la síntesis de albúmina, alfa-1-tripsina, fibrinógeno, lipoproteínas, haptoglobinas, transferrina, ceruloplasmina, etc. También se modifican los niveles de colesterol, triglicéridos, ácidos grasos libres, etc., en plasma. Por otra parte, en general, un incremento, aunque sea reversible, de los niveles séricos de las transaminasas (aminotransferasas), como la alanina aminotrasferasa (ALT), indica lesión del paréquima hepático con rotura celular, mientras que la elevación de la creatin-quinasa, aspartatoaminotransferasa (AST) , prevalente en músculo, sugiere un síndrome agudo muscular. Valores anormales en suero de colinesterasa y de fosfatasa ácida aparecen también en el daño hepático. Como ensayo de la capacidad funcional del hepatocito, en forma global, se ha utilizado muchos años la prueba de aclaramiento de la BSF (o BSP), colorante de disulfonato de tetrabromoftaleína. Consiste en administrar en ayunas, por vía intravenosa, 5 mg de BSF (peligro de choque anafiláctico), extrayéndose a los 45 minutos una muestra de sangre del brazo opuesto; si la proporción del colorante en la sangre es mayor del 5 %, se pone de manifiesto que el hígado no ha sido capaz de eliminarlo suficientemente. Esta prueba es bastante sensible, pues evidencia alteración hepática antes que otras pruebas funcionales y sirve para descubrir el comienzo de una patología o para seguir el proceso de recuperación del hepatocito, aunque no es extremadamente exacta, pues le afecta el volumen plasmático, el flujo hepático (insuficiencia cardiaca, shock, etc.) y procesos terapéuticos. El mecanismo de aclaramiento consiste en la separación del colorante del plasma por el hepatocito, conjugacion del colorante con glutatión, merced a la enzima glutatión-S-ariltransferasa, y excreción a través de la bilis. Más recientemente se ha usado verde de indociamina, aunque es menos interesante que la BSF, pues no se conjuga. Como afirmó Víctor Pérez (1969), el estudio de las reacciones hepáticas resulta difícil debido a que: 1) no se conocen bien los mecanismos de su producción, 2) normalmente no se tiene certeza del diagnóstico, 3) el gran número de sustancias posiblemente implicadas. Sin embargo, el problema se simplifica gracias a que: 1) los caminos metabólicos son comunes, incluso para tóxicos muy diversos, y 2) las lesiones hepáticas carecen del polimorfismo que podría preverse a causa de la variedad de agentes tóxicos, y adoptan tan sólo unas pocas formas clínicas. Por su forma de reaccionar ante los tóxicos, los individuos pueden dividirse en tres grupos (Tabla 7.5). A. Grupo grande de individuos que ante los agresivos químicos responde con afectaciones subclínicas; sólo mediante pruebas funcionales se descubre que se está produciendo una alteración hepática o de otro tipo. B. Grupo pequeño, pero con reacciones o manifestaciones clínicas graves; normalmente con ictericia. La repetición del contacto agrava la lesión. C. Individuos que ante la incidencia crónica de los tóxicos desarrollan mecanismos compensadores o procesos de adaptación o tolerancia. 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 267 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO Tabla 7.5. Clasificación anatomoclínica de las reacciones hepatotóxicas Tipo clínico A) Con afectaciones subclínicas (grupo grande) B) Con manifestaciones clínicas (grupo pequeño) C) Procesos de adaptación 267 Morgológica o funcional Hiperbilirrubinemia Alterac. excreción BSF. i Elevación transaminasas y Alt. histológicas simples t Alt. bioquímicas subcelulares Mecanismo probable Disminución o simple lesión. Lesión celular variable. Interferencia metabólica. Necrosis zonal Hepatitis tipo viral Colestasis intrahepática i y Lesiones diversas t Toxicidad directa. Hipersensibilidad. Recuperación Tolerancia Hipofunción Hepatomegalia Inducción enzimática. Inducción enzimática. Inducción enzimática. Hipertrofia, hiperplasia. Principales reacciones hepatotóxicas En la afectación tóxica aguda del hígado pueden distinguirse las formas citotóxica y colestásica; esta última, consistente en la detención de la bilis en los canalículos intra o extrahepáticos, se verá más adelante. La forma citotóxica tiene tres formas de presentacion, que pueden ser secuenciales o no: esteatosis, degeneración y necrosis (Tabla 7.6). La esteatosis consiste en la acumulación citoplasmática de gotitas grasas; puede originarse por numerosas sustancias capaces de alterar los mecanismos de degradación de los triglicéridos o de las síntesis de las lipoproteínas encargadas de sacar las grasas del hepatocito. Se origina lo que se conoce como hígado graso. La degeneración estriba en una inflamación o balonización del hepatocito con hialinización (transparencia) de su contenido y aparición de cuerpos acidófilos. La necrosis supone la muerte celular y se puede producir por mecanismos de lipoperoxidación, alquilación, arilación o uniones covalentes de las macromoléculas biológicas (membrana plasmática, retículo endoplásmico, etc.) por el tóxico o sus metabolitos, o bien por reacciones inmunitarias. En estas últimas la necrosis es difusa o distribuida por todo el lobulillo; en otros casos aparece por zonas (central, intermedia o periférica) y a veces es Hipersensibilidad variable. puntual o focal. Esta selectividad topográfica parece deberse a la mayor capacidad del lugar para producir en cada caso el metabolito tóxico (Fig. 7.32) a causa de una actividad local especialmente intensa de las enzimas biotransformadoras. También participan los mecanismos mediados por el calcio (véase Mecanismos de toxicidad). Por técnica histológica se detecta desde antiguo los llamados cuerpos de Councilman, que ahora se sabe que son hepatocitos que han experimentado apoptosis. Cuando estas lesiones se suceden en forma crónica, el tejido colágeno se transforma en fibrótico no funcionante, que distorsiona la arquitectura hepática con posible obliteración de vasos y producción de edemas y varices; es la cirrosis. Insuficiencia hepática Como consecuencia de las lesiones reseñadas, principalmente por la necrosis de los hepatocitos, el hígado disminuye grandemente su capacidad funcional, presentando el síndrome que clínicamente se denomina de insuficiencia hepática e incluso en la forma de fallo hepático fulminante (FHF); a veces se continúa con la insuficiencia hepatorrenal, y en ocasiones da origen a la encefalopatia hepática (véase ésta); clínicamente se aprecia acidosis metabólica, así como elevación de 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 268 268 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Tabla 7.6. Clasificación morfológica de hepatotoxicidad. Tipo Colestasis a) Canalicular b) Hepatocanalicular Citotoxicidad aguda Esteatosis a) Microvesicular b) Macrovesicular Degeneración Balonamiento y acidofilia Necrosis focal Necrosis zonal a) Central b) Intermedia c) Periférica Necrosis masiva Citotoxicidad crónica Inflamación crónica Esteatosis Necrosis crónica difusa por: Hipersensibilidad Autoinmunidad Acumulación metab. tox. Cirrosis a) Congestiva b) Biliar c) Micronodular d) Macronodular Carcinoma a) Hepatocelular b) Colangiocelular Adenoma Sarcoma Angiosarcoma Trombosis vena hepática Agente Esteroides contraceptivos y anabolizantes C-17. Arsenicales orgánicos, clorpromazina, eritromicina. Fósforo, tetraciclina, etionina. Etanol, metotrexato. Gran número. Varios. CCl4 Acetaminofeno, Halotano, Bromobenceno, faloidina. Furosemida, Cocaína. Formiato de alilo, albitoxina, otros. Trinitrotolueno, otros. Etanol, metrotexato. Clorpromazina, eritromicina, fenitoína, p-aminosalicílico, etc. Anfetamínicos (MDMA, MDA etc.) Iproniazida, isoniazida, p-acetamol, etc. Pirrolizidina. Clorpromazina. CCl4, aflatoxinas. CCl4. Aflatoxina B1, CCl4, pirrolizidina, azocolorantes, dimetilnitrosaminas. Raro. Esteriodes anabólicos y contraconceptivos. Dimetilnitrosaminas. Cloruro de vinilo, thorotrast, arsenicales inorgánicos. Contraconceptivos, esteroides. Adaptado de Zimmerman, 1982. transaminasas y bilirrubina, y disminución de los factores de la coagulación. (Tabla 7.7). Producen estas patologías la Amanita phalloides, las sobredosis de p-acetamol, de compuestos anfetamínicos (éxtasis, MDMA, MDA, etc.), el tetracloruro de carbono, etc. En consumidores reiterados de éxtasis se ha visto una necrosis hepática difusa, posiblemente de causa autoinmunitaria; además parece que este producto altera la secreción hipofisaria de la hormona antidiurética (ADH), por lo que los riñones no responden a la alta ingesta de agua, motivada por la hipertermia (por trastorno hipotalámico); se produce así una hiponatremia que favorece la entrada de agua en las células y conduce a un edema cerebral (encefalopatía hiponatrémica). Se ha comprobado que el paracetamol a dosis diarias superiores a 3 g produce hepatitis crónica. Resumiendo, las reacciones más importantes que el hígado puede experimentar a causa de las sustancias químicas son: A. Necrosis zonal. Se produce por los tóxicos directos o específicos del hígado, como el tetraclo- 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 269 269 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO Figura 7.32. Ejemplos de distribución zonal de las necrosis hepáticas causadas por diferentes tóxicos. (Zimmermann H. J. 1978) Tabla 7.7. Afectaciones enzimáticas en las hepatopatías. Actividades enzimáticas en: → → → Lesión otros órganos → → GOT, LDG, ALD, MDH Lesión crónica → → = Lesión hepática Colectasis Necrosis obstructiva aguda intrahepática → su Enzimas → I.A Significado → Grupo ± GPT, GluDH, ICDH IV CPK su GOT = transaminasa glutamínico oxalacética = aspartato aminotransferasa (AST) GPT = transaminasa glutámico pirúvica = alanina aminotransferasa (ALT) LDH = lactato deshidrogenasa ALD = fructosa-1,6-difosfato aldolasa MDH = malato-deshidrogenasa GluDH = glutamato-deshidrogenasa → → normal normal normal GGT = gamma-glutamiltransferasa ICDH = isocitrato-deshidrogenasa OCT = ornitilcarboiltransferasa SDH = sorbitol-deshidrogenasa LDH5 = isoenzima de LDH F-1, P-Ald = fructosa-monofosfatoaldolasa Fal = fosfatasa alcalina (ALT) 5´N = nucleotidasa ± ± → = Lesión otros órganos su → Fal, 5´-N, LAP, GGT III normal → = Colestasis su → ChE II → → = Lesión hepática → OCT, SDH, LDH5 arginasa, F-1, P-Ald → I.B. 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 270 270 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL ruro de carbono y demás productos organoclorados, la Amanita phalloides, el fósforo, el paracetamol, la furosemida, el bromobenceno, etc., tras toxificación hepática a metabolitos muy reactivos, que lesionan la célula que los forman (véase Mecanismos de toxicidad). La seta Amanita phaloides posee varias toxinas; la a-amanitina, con estructura de octapéptido bicíclico, y la faloidina, heptapédido bicíclico. La primera se absorbe fácilmente por vía oral, al contrario que la segunda, y su penetración en el hepatocito es favorecida por iones Na + pero inhibida por el taurocolato. La amanitina bloquea la síntesis de m-ARN y, consecuentemente, la síntesis de proteínas. El Cl4C es tóxico tipo o modelo de esta acción. Consiste en necrosis de los hepatocitos, en amplias zonas, y en ocasiones con infiltración grasa, bien en pequeñas gotitas o como grandes gotas que ocupan gran parte del citoplasma y desplazan al núcleo. Las características de esta grave afectación son: — El periodo entre la exposición al tóxico y la aparición del daño es breve y constante. — La mortalidad es sumamente elevada. — Existe relación entre la dosis y la intensidad de las lesiones. — El proceso puede repetirse experimentalmente. — Se suele acompañar de lesiones en otros órganos, especialmente en el riñón, con necrosis tubular aguda. Un mejor conocimiento de la distribución topográfica (zonal y focal) de las lesiones tóxicas a causa de las diferencias locales en las actividades enzimáticas, así como de las modificaciones de la toxicidad que producen los inhibidores y los inductores enzimáticos, lo proporciona un estudio realizado con cocaína administrada a ratones (Roth et al., 1992). Una sola dosis de 60 mg/kg produce necrosis coagulativa en la zona intermedia lobulillar, que es mayor si se efectúa un pretatamiento con diazinon, organofosforado inhibidor de esterasas y, por tanto, de la hidrólisis enzimática (eliminación) de la droga; también se incrementa el daño en el mismo lugar cuando el pretratamiento es con beta-ionona, inductor del metabolismo oxidativo; pero si la inducción se realiza con fenobarbital, la necrosis aparece en la zona central; cuando se administre previamente beta-naftoflavona, la lesión por cocaína se produce en la zona periférica. Todo ello sugiere la inducción de diferentes enzimas oxidativas que producen distintos metabolitos, en las respectivas zonas del lobulillo (Fig. 7.33). Por otra parte, cuando coincide el consumo de cocaína y de bebida alcohólica, en el hígado se forma, por transetilación, la etilbenzoilecgonina (mal llamada cocaetileno), mucho más hepatotóxica. B. Hepatitis tipo vir al. La lesión anatómica es como en la necrosis centrolobulillar, con la aparición al microscopio de los cuerpos de Councilman, imagen de hepatocitos destruidos por apoptosis. Pero: hay un largo periodo latente (hasta meses), no existe relación dosis-efecto, difícilmente se reproduce experimentalmente y la mortalidad es del 20 %. Se admite que la reacción es de carácter inmunitario, con un mecanismo similar al de la colestasis; sin embargo, se ha sugerido (Popper, 1958) que el tóxico podría activar virus latentes y desencadenar el daño hepático. Este tipo de hepatitis la originan: el anestésico halotano, uretano, atebrina, sulfamidas, «éxtasis», etc. El anestésico por vía inhalatoria halotano (trifluoclorobromoetano) ha sido asociado a dos tipos de reacciones adversas hepáticas. En el 20 % de los individuos se produce una hepatotoxicidad suave, caracterizada por la aparición de aminotransferasas en el suero. La segunda forma, más Beta-ionona Cocaína sola Fenobarbital Diazinón Naftoflavona Figura 7.33. Variaciones de los lugares (zonas del lobulillo hepático), en que la cocaína produce lesión (necrosis coagulativa) cuando se absorbe sola, o juntamente con inhibidores o inductores enzimáticos. 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 271 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO grave pero menos frecuente, aparece como necrosis hepática postoperatoria con posible fallo hepático, muy parecida a la hepatitis viral; la incidencia se incrementa diez veces en los individuos que lo reciben por segunda vez. El mecanismo de toxicidad incluye dos vías de bioactivación, realizadas por CYP2E1 y dependientes de la disponibilidad de oxígeno: a baja presión parcial de oxígeno, mediante reducción se elimina un ion bromuro (Br -) y se forma el radical trifluocloroetilo y, de forma similar a lo que ocurre al tetracloruro de carbono, el radical reacciona con los lípidos de membrana e inicia la peroxidación lipídica, que causa lesión en el órgano. Pero en condiciones de exceso de oxígeno, el CYP2E1 oxida al halotano introduciéndole un grupo hidroxilo, además de eliminarle el bromo, para formar trifluorocloroacetilo, compuesto electrófilo que puede reaccionar con agua y convertirse en ácido trifluoroacético, enormemente corrosivo, o atacar a un grupo neutrófilo, como una lisina, de proteínas, formando aductos que pueden ser inmunógenos. C. Colestasis intrahepática. Cuando se produce una lesión de las vías biliares intrahepáticas o extrahepáticas, se origina un cuadro ictérico obstructivo. La lentitud del flujo biliar (colestasis) determina la precipitación de pigmentos biliares en elementos hepáticos como hepatocitos, capilares biliares y células de Kupffer, y al pasar a la sangre se origina la ictericia. También se admite que, en ocasiones, el proceso puede deberse a modificaciones en el equilibrio fisicoquímico de la secreción biliar, variando la concentración de los ácidos biliares; además, la síntesis de éstos es interferida por algunos xenobióticos (esteroides anabolizantes y contraceptivos orales). La secreción de la bilis requiere participación de la Na+- K+-ATPasa, pero ésta es inhibida por los esteroides anabolizantes alquilados en C-17 y la clorpromazina, que también altera la formación de micelas biliares; la etionina disminuye el ATP, y la rifampicina interfiere la absorción de precursores y la secreción de la bilis. Este tipo de reacción no es reproducible experimentalmente, su mortalidad es casi nula, sólo puede ser circunstancia agravante, el tiempo de latencia es largo (15 días) y no existe relación dosis-efecto, sino que pequeñas dosis pueden dar cuadros dramáticos en sujetos sensibilizados. Por ello se estima que consiste en una relación de hipersensibilidad, en cuyo favor aboga todo el cuadro, como: 271 — Aparición brusca, eritemas cutáneos, dermatitis exfoliativa, fiebre, adenopatías, eosinofilia en sangre y tejidos, y reproducción del cuadro al reincidir el tóxico. A veces la reproducibilidad disminuye, como si se hubiese producido una desensibilización, pero en otras ocasiones se origina sensibilidad cruzada con otras sustancias. Producen ictericias colestásicas los anticonceptivos orales, la clorpromazina, los arsenicales, tetraciclinas, penicilina, sulfamidas, etc. Estos procesos de base inmunitaria están caracterizados por: 1. Periodo de inducción relativamente fijo (4 a 5 semanas). 2. Recurrencia puntual de la disfunción hepática con pequeñas dosis del agente. 3. Alta incidencia de fiebre, rash, eosinofilia, etc. 4. Infiltraciones inflamatorias o granulomas en el hígado, ricos en eosinófilos. — Lesiones diversas más importantes consecuentes a las reacciones anteriormente vistas: a) cirrosis, b) hígado graso, c) lesiones vasculares, d) porfirias, e) hepatoma. a) Cirrosis. La cirrosis es un proceso reparativo (desde el punto de vista orgánico aunque no funcional); después de una lesión hepática se puede producir una regeneración nodular o reparaciones por cicatrices fibrosas. Estas se deben bien a colapso del esqueleto del retículo o a la proliferación de tejido conjuntivo; ambas formas llevan a la fibrosis, y más adelante a la cirrosis. Originan cirrosis el alcohol, las aflatoxinas, el tetracloruro de carbono, etc. Las aflatoxinas, producidas por los hongos Aspergillus flavus y Aspergilus par asiticus, son difurocumarinas con estructura heterocíclica de cinco anillos. La más dañina es la aflatoxina B1, potente carcinógeno. Requiere ser biotransformada por un CYP a 8,9-epóxido que se une covalentemente a proteínas y al ADN, preferiblemente en regiones ricas en G:C, para formar aductos en la posición N-7 de la guanina. b) Hígado graso: La infiltración grasa del hígado es una reacción hepática muy frecuente. Sus mecanismos de producción son: 1. Movilización de las grasas de depósito. Algunas sustancias liberan ácidos grasos de los depósitos, que son captados por los hepatocitos para reconstruir triglicéridos. Como en la movilización 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 272 272 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL de las grasas intervienen las catecolaminas (estimulación adrenérgica), la administración de fármacos sedantes (bloqueantes adrenérgicos) disminuye la liberación. 2. Aumento de la síntesis hepática de ácidos grasos, a causa de ingesta de materias primas (alcohol, triglicéridos, etc.). 3. Disminución de la oxidación de los ácidos grasos, también a consecuencia de absorción de sustancias que obligan a un esfuerzo metabólico oxidativo, o a la presencia de inhibidores de las oxidaciones microsómicas. 4. Disminución del transporte y excreción de los ácidos grasos. A consecuencia del déficit en la síntesis de proteínas, disminuye la formación y secreción de las lipoproteínas. c) Lesiones vasculares. Distintos tóxicos producen alteraciones en la microcirculación hepática, con obliteración de los sinusoides cercanos a la vena central, comunicaciones entre la porta y la suprahepática, y trombosis suprahepáticas por lesión del endotelio venoso. Las lesiones endoteliales pueden conducir a dilataciones que forman lagos venosos, aprovechando la preexistencia de necrosis que hayan destruido partes del parénquima. Un importante grupo de tóxicos vasculares lo forman los alcaloides de la pirrolizidina, que engrosan las paredes de los vasos y originan el síndrome venoso-oclusivo (véase en Patología pulmonar). d) Porfirias. Con este nombre se agrupa una serie de afecciones que se caracterizan por un aumento en la síntesis de porfirinas, intermediarias en la síntesis del hem. Como consecuencia, aparece en orina y heces gran cantidad de porfobilinógeno, uroporfirina, coproporfirina y ácido aminolevulínico (ALA), y disminución en sangre de su enzima deshidratasa (ALA-D) simultáneamente a diversos cuadros clínicos cutáneos (manchas o necrosis), abdominales y neurales. Se admite que no se trata de reacciones de hipersensibilidad, sino de procesos de inducción o inhibición enzimática. La síntesis del hem, mediante la enzima ALA-sintetasa, está regida por un sistema de retroalimentación. Una alteración del gen operador que rige la síntesis de ALA-sintetasa, con mayor producción de ésta, o la presencia de tóxicos que la induzcan por interrupción de la represión, o bien que interrumpan la cadena de la síntesis del hem, conducirán finalmente a mayor producción de porfirinas. Tabla 7.8. Productos capaces de producir un ataque de porfiria. Aminofenazona. Anticonceptivos orales. Apronalida. Barbitúricos (especialmente secobarbital y tiopental). Cocaína. Cloroquina Diuréticos mercuriales. Fenilbutazona. Griseofulvina. Organoclorados. Plomo. Quinina. Sulfonal. Sulfamidas. Trional. Tolueno. La mayoría de las sustancias que se relacionan en la Tabla 7.8 actúan sobre el hígado, mientras que el plomo lo hace sobre los eritrocitos. Frecuentemente se manifiesta como dolor abdominal agudo, de tipo cólico, asociado a vómitos, distensión y diarreas o estreñimiento; dolores musculares; trastornos neurológicos hasta con parálisis respiratoria y ataques convulsivos; y manifestaciones psiquiátricas que van desde irritabilidad y ansiedad a confusión, delirio, alucinaciones y psicosis. A veces se observa hipertensión, taquicardia y fiebre (véanse los apartados sobre hemoglobina y trastornos de la piel). e) Hepatomas. La absorción repetida de muy distintas sustancias (nitrosaminas, plaguicidas, aflatoxinas, cloruro de vinilo, etc.) produce diversas clases de tumores en los componentes hepáticos (véase Tabla 7.6). Algunos medicamentos hipolipemiantes, tipo clofibrato (fenoxi-isobutirato) estimulan una proliferación de peroxisomas con hepatomegalia muy marcada, que a veces conduce a hepatomas. NEFROPATÍAS DE ORIGEN TÓXICO Recordemos que el riñón es un órgano par, de forma de judía, de unos 10-12 cm desde el polo superior al inferior; en un corte vertical se distinguen claramente corteza, médula y el ducto vascu- 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 273 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO lar, que se inserta a mitad de la altura del órgano (Fig. 7.34). Cada riñón de un adulto humano pesa aproximadamente 150 g y contiene más de un millón de nefronas. La unidad anatómica y funcional es la nefrona, integrada por: a) el componente vascular, derivado de la arteria y de la vena renal; b) el glomérulo, irrigado por las arteriolas aferente y eferente (que llevan la sangre para ser filtrada y las sacan), y c) los túbulos (proximal y distal, conectados por el asa de Henle), que se continúa por los tubos colectores. El túbulo proximal está provisto de un epitelio con mitocondrias muy activas, y con cilios (ribete en cepillo). En la corteza se encuentran los vasos primarios, el glomérulo, y las partes contorneadas de los túbulos proximal y distal; en la médula se distinguen 10 pirámides que alojan las partes rectas de ambos tipos de túbulos, la recta y la curva del asa de Hen- Figura 7.34. Estructura renal. 273 le, así como los tubos colectores que llevan la orina al fondo de las pirámides, cuyos vértices se llaman papilas; éstas tienen unos orificios por donde gotea la orina a los cálices de la pelvis renal, para continuar a los uréteres. Para recordar la fisiología del riñón pueden consultarse, en el capítulo de Toxicocinética, el apartado de excreción renal (Fig. 3.11). Al ser el riñón el principal órgano excretor de sustancias tóxicas, es de esperar que resulte afectado por ellas, no ya en el momento y lugar de la filtración y de la secreción, sino también durante la resorción (en el tubo contorneado distal), que supone una concentración del producto sobre los niveles plasmáticos. Unas veces el tóxico sólo potenciará o pondrá en evidencia un trastorno renal preexistente; otras veces inducirá alteraciones que serán asiento de posteriores nefropatías y, en otros casos, se producirán lesiones directas sobre la nefrona. 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 274 274 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Procesos nefróticos Los mecanismos fisiopatológicos de los procesos nefrotóxicos pueden esquematizarse como sigue: a) Lesión por contacto, tipo cáustico, de las paredes de algún segmento de la nefrona, con alteración de la permeabilidad, que puede permitir la salida de proteína y hematíes, con posterior formación de zonas escleróticas de tejido cicatrizal, que reducirá la filtración. b) Mecanismos obstructivos, por depósitos del tóxico o de un inmunocomplejo en la nefrona o uréteres (oxalatos, sales de oro, penicilamina). c) Alteración de mecanismos enzimáticos locales, bien de tipo metabólico, o bien encargados de los procesos activos de secreción y resorción. Como prueba precoz de la función renal (aclaramiento o transporte tubular), y para poder seguir su proceso, puede emplearse la estimación de la excreción de fenolsulfoftaleína (FSF o PSP), que se realiza por administración intravenosa de 1 m1 del colorante, del que debe excretarse, en la orina, a los 15 min por lo menos un 25 %, a los 30 min el 40 % y a las 2 horas el 60 %. La sustancia es secretada activamente por los túbulos; interfiere la BSF y la hipoalbuminenia con valores erróneos por exceso. También se usa p-aminohipurato (PAH) y el tetraetilamonio (TEA). Esta prueba es útil muy precozmente, pero cuando la afectación renal está avanzada, es preferible la medición de la velocidad de filtración glomerular (VFG), valorando el aclaramiento de la creatinina endógena. La determinación de la excreción urinaria de creatinina y su correlación con los niveles hemáticos resulta más fiable que la valoración del nitrógeno ureico, influido por gran número de factores. Pero las pruebas de función renal no siempre se corresponden con el dato histológico, por lo que es útil combinar varios indicadores. Mejor información sobre el daño renal y de la localización del mismo se obtiene por la determinación de varias enzimas en la orina. Así, son indicadores muy precoces de lesión en el ribete en cepillo de epitelio del túbulo proximal, lactatodeshidrogenasa (LDH) y glutatión transferasa (GST), que aparecen en pequeñas lesiones, o bien, alaninaaminopeptidasa (AAP), fosfatasa alcalina (ALP) y gamma-glutamiltransferasa (GGT). La lesión de la papila renal por agentes papilotóxicos, como analgésicos con fenacetina, libera N-acetil-beta-D-glucosaminidasa (NABG), hidrolasa lisosómica que posee varias isoenzimas (y que también aparece tras la lesión del túbulo proximal), acompañado de aumento del volumen de orina con osmolalidad baja. Además son marcadores de proteinuria tubular alfa-1-microglobulina, beta-2-microglobulina, proteína unida a retinol, cistatina C, amilasa, etc., así como las microproteínas villin (del citoesqueleto tubular e intestinal) y TammHorsfall (THP) (del asa de Henle). Por estudios hístoquímicos e inmunocitoquímicos pueden detectarse en el tejido antígenos formados a partir del tejido renal. Desde el punto de vista clínico, podemos establecer la siguiente agrupación de las nefropatías tóxicas: A) Nefropatías tóxicas directas, con fracaso renal agudo o insuficiencia renal, por lesión cáustica, obstructiva o metabólica. B) Nefropatías alérgicas: a) Vasculitis renal alérgica. b) Glomerulonefritis toxicoalérgica. c) Nefritis intersticial. A) Nefropatías tóxicas directas (Fracaso renal agudo de origen tóxico) Debemos considerar aquí nefropatías obstructivas producidas por el depósito, en cualquier lugar del riñón, de compuestos insolubles o macromoleculares. Como ejemplo tenemos la formación de sales cálcicas del ácido oxálico, absorbido directamente o formado en el metabolismo de glicoles o del ácido ascórbico; similar efecto pueden originar los fosfatos insolubles o los agregados de polímeros sintéticos ingresados por cualquier vía (incluso la respiratoria) como partículas pequeñas que posteriormente se reúnen en otras mayores. Una serie de sustancias químicas como: — disolventes orgánicos, especialmente los clorados (tricloroetileno, tetracloruro de carbono, etc.), que a veces se metabolizan a ácidos; 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 275 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO — sales y compuestos de metales (mercurio, uranio, plomo); — fenoles; — ácido oxálico y derivados del glicol (etilenglicol, dietilenglicol); — sulfonamidas, aminoglucósidos, kanamicina, tetraciclinas envejecidas (formación de anhidro-4-epitetraciclina), bacitricina, viomicina, colimicina; — faloidina o amanitatoxina (de la seta Amanita phalloides); — fósforo elemental, compuestos de arsénico, producen una necrosis epitelial intensa, que afecta a la mayoría de las nefronas, incidiendo primero en el glomérulo y después en determinados tramos del túbulo; la altura a que en éste se localiza la Tabla 7.9. Proteinuria - nefrosis. Penicilina. Oro. Trimetadiona. Parametadiona. Dapsona. Penicilamina. Probenecid. Diuréticos mercuriales. Tolbutamida. Perclorato. Fenindiona. Rifampicina. Clorhidrato de doxorrubicina. Fenoprofeno. Túbulo proximal - síndrome de Fanconi Salicilatos. Aminoglucósidos. Tetraciclina. Túbulo distal - acidosis tubular renal Anfotericina-B. Penicilina. Litio. Defectos de concentración diabetes insipida nefrogénica Desmetilclortetraciclina. Metoxiflurano. Litio. Difenilhidantoína. 275 lesión es, en cierto modo, característica del tóxico, y coincide con los lugares donde, por resorción o secreción, se enriquece la concentración del tóxico en el líquido que atraviesa el epitelio o que circula por el túbulo, y también en los puntos donde, por existir mayor actividad enzimática, el xenobiótico se toxifica (Tabla 7.9 ). Así, el glomérulo se lesiona al filtrar cáusticos, como los compuestos fenólicos, y otros se toxifican, como la adriamicina, que se biotransforma a una semiquinona, muy electrófila. Los túbulos proximales son las estructuras más susceptibles al daño por efectuar principalmente la reabsorción isoosmótica y la secreción. Además poseen actividad oxidasa que toxifica algunos xenobióticos, como a la cefaloridina (una cefalosporina, Síndromes nefróticos y agentes relacionados Necrosis papilar Analgésicos (no-narcóticos). Salicilatos. Fenacentina. Fenilbutazona. Formol intravesical. Nefritis intersticial Salicilatos. Fenacetina. Acetaminofeno. Analgésicos no narcóticos combinados. Fenoprofeno. Meticiclina. Ampicilina. Furosemida Cefalosporinas Sulfamidas. Rifampicina. Polimixina B. Atopurinol. Fenindiona. Nitrosoureas. Litio. Hematuria. Cefalosporinas. Penicilina. Ciclofosfamida Insuficiencia renal aguda reducción del GFR Analgésicos Aspirina. Indometacina. Fenilbutazona. Aminoglucósidos. Cefalosporinas. Tetraciclinas. Anfotericina B. Polimixina. Sustancias yodadas de contraste. Complejos de platino. Compuestos de bismuto. Metotrexato. Ácido epsilonaminocaproico. Difenilhidantoína. Fenindiona. Propanolol. Dextrán. Fenozopiridina. Bismuto. Insuficiencia renal crónica Analgésicos (no narcóticos). Tetraciclina. Sustancias yodadas de contraste. Nitrosoureas. Metoxiflurano Cálculos Fenazopiridina. Alopurinol (indirectamente) Triclinafeno Triamtereno Fenilbutazona (indirectamente) 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 276 276 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL antibiótico de estructura y acciones parecidas a la penicilina), que en este lugar experimenta secreción activa y una epoxidación, que lesiona al túbulo. Los aminoglucósidos, que abarcan varias familias de antibióticos como estreptomicina, neomicina, kanamicina, gentamicina, espectinomicina, etc., se unen a fosfolípidos de membrana del ribete en cepillo, por interacción entre los grupos catiónicos del antibiótico y los aniónicos de los fosfolípidos, lo que altera la permeabilidad de la membrana y libera enzimas lisosómicas. También en este lugar ocurre la reabsorción activa de los conjugados con el glutatión y los compuestos organoclorados, que experimentan una toxificación al ser hidrolizados por betaliasas, liberándose un grupo tiol muy reactivo (véase capítulo de Mecanismos de toxicidad). La tioacilación de moléculas de las mitocondrias de membrana, libera enzima LDH, detectable en la orina. Igualmente el cadmio y otros metales experimentan aquí reabsorción activa. En las esctructuras albergadas por la médula se producen pocas lesiones tóxicas, gracias a la baja concentración del fluido del túbulo distal, y también por la escasa actividad oxidativa dependiente del citocromo P-450, en comparación con la que hay en el tubo proximal; además dispone de altas proporciones de glutatión, que la protege. Sin embargo, cuando las dosis del tóxico son grandes, las lesiones que se presentan en el túbulo proximal también se originan en el distal y el glomérulo. El fluoruro inorgánico, así como los compuestos orgánicos que pueden liberarlo, como el anestésico metoxifluorano, daña ambos túbulos, por mecanismo aún no explicado. Las tetraciclinas originan poliuria por interferir el mecanismo de acción de la hormona antidiurética (ADH) hipofisaria; por el contrario, los anfetamínicos (éxtasis o MDMA, MDA, etc.) provocan secreción de ADH, y el riñón retiene líquidos que conducen a hemodilución (véase encefalopatías anfetamínicas), que hace muy peligroso beber agua y que, además, agrava el riesgo de hipertensión propio de las anfetaminas. A su vez, los tóxicos que inhiben la ATP-asa, la anhidrasa carbónica y otras enzimas del túbulo (alcohol, mercuriales, etc.) impiden la reabsorción de orina primaria y producen diuresis. La fenacetina induce necrosis papilar, que se extiende al tejido conjuntivo intersticial, al que se difunde merced a su liposolubilidad; sin embargo, el acetaminofeno o p-acetamol (metabolito de aquéllas) no la produce, ni tampoco el conjugado de éste con el glutatión, por ser hidrosolubles. Se piensa, además, que la presencia de tóxico origina una afectación del transporte tubular de sodio, lo que desencadena una vasoconstricción que conduce a oliguria, igual que ocurre en el fracaso renal de causa circulatoria (riñón de shock). Se admite que esta lesión tóxica directa sobre los diferentes segmentos de la nefrona es, en gran parte, dependiente de la dosis y puede ser reproducible por vía experimental. Los compuestos de gran poder oxidante como los cloratos, bromatos, cromatos, etc., lesionan a la mayoría de los órganos y tejidos (tubo gastrointestinal, hígado, sangre con producción de hemolisis y metahemoglobina, etc.) y particularmente el riñón; aunque respetan más el glomérulo, inducen una intensa necrosis en los túbulos contorneados proximales, acompañada de edema intersticial y de fuerte vasoconstricción que enlentece la circulación sanguínea en el riñón y, consecuentemente, disminuye la excreción del tóxico, el cual aumenta su vida media y tiempo de daño. Estos tóxicos también originan sensacion de quemadura en las extremidades (pies) y neuropatías periféricas retardadas, que pueden aparecer uno o dos meses después; asimismo producen sordera precoz (véase Ototoxicidad). La afectación local de mecanismos enzimáticos metabólicos, fundamentalmente oxidativos, conduce a degeneración grasa o adiposis renal, mientras que la regeneración de las zonas necrosadas, mediante procesos fibróticos, conduce a esclerosis y, por tanto, a la disminución permanente de la función renal. El cuadro clínico presenta oliguria aguda y uremia (azoemia) elevada y ascendente, proteinuria, cilindruria y hematuria más edemas e hipertensión. Al cabo de semanas o de meses de evitación o supresión del tóxico puede recuperarse la diuresis y las funciones, aunque persista déficit cuando se produjo esclerosis amplia. B) Nefropatías alérgicas Numerosas nefropatías se producen no por una acción directa del tóxico, sino a través de un proceso de hipersensibilidad, de carácter no predecible, 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 277 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO independiente de la dosis, con periodos de latencia variables, y generalmente no son reproducibles por experimentación. La presencia de depósitos de inmunoglobulinas (IgG, IgM) muy localizados, y que se estudian por técnicas inmunohistoquímicas, sustenta la teoría de un mecanismo antígeno-anticuerpo. Éste produce una alteración de la permeabilidad de la membrana basal y fusión de los podocitos, lo cual conduce a pérdidas proteínicas (proteinuria con hipoproteinemia e hipoalbuminemia), las cuales, por reducción de la presión oncótica, producirán edemas y ascitis que, al disminuir el volumen circulante, desencadenarán hiperaldosteronismo y oliguria. En algunos casos se han encontrado anticuerpos circulantes contra el tóxico o contra las membranas basales. Las lesiones presentan muy diferentes localizaciones según el agente tóxico, ya sea en los vasos renales, en los capilares del glomérulo o en los elementos vásculo-conjuntivos intersticiales. Así podemos distinguir entre vasculitis, glomerulonefritis y nefritis intersticial aguda o crónica. Un medicamento que abarca todas las variedades nefrotóxicas de este grupo es la penicilina que, después de repetidas aplicaciones de dosis terapéuticas, produce la aparición de nódulos de tejido de cicatrización (esclerosis) bajo la capa cortical, con deformaciones de algunas nefronas, más necrosis del epitelio en los túbulos, en cuyo interior se forman cilindros hialinos (PAS positivos). También se observa retracción de los glomérulos, infiltraciones linfocitarias y graves alteraciones vasculares. En un plano subcelular, se ha detectado proliferación y aglutinación de lisosomas, y a la liberación de su contenido pudieran deberse los trastornos necróticos. Se ha visto (Berndt, 1998) que distintos compuestos, tanto orgánicos (algunas cefalosporinas, el metabolito fúngico citrinina, etc.) como inorgánicos (cloruro mercúrico, sales de cadmio, etc.), son nefrotóxicos cuando se acumulan y alcanzan elevadas concentraciones en el interior de las células de los túbulos proximales a través del sistema de secreción o de reabsorción por transporte activo; esta acumulación se debe no sólo a la eficiencia del sistema de transporte sino también a una incapacidad de la sustancia para salir de la célula. Se ha visto que administrando p-aminohipurato (PAH) o probenecid se disminuye el efecto nefro- 277 tóxico de la cefalosporina, al bloquear el sistema de transporte de ésta. Por su parte, algunos conjugados con el glutatión o con la cisteína pueden resultar nefrotóxicos, porque ellos, o algunos de sus productos de ruptura, pueden ser reabsorbidos de la luz tubular y acumularse en la célula; el glutatión (GSH) también favorece la reabsorción del ion mercúrico y del metilmercurio, así si se administra dietilmaleato (DEM), que provoca depleción del GSH, disminuye la acumulación de los compuestos mercuriales. 1. Vasculitis renal alérgica Al ser el riñón un órgano muv vascularizado, puede experimentar intensas poliarteritis generalizadas consecuentes a la sedimentación de inmunocomplejos en la pared arterial. Histológicamente, se trata de un proceso inflamatorio, con necrosis fibrinoide de la túnica media vascular, acompañada de infiltración celular. La evolución regenerativa cursa con transformación fibrosa y formación de cicatrices retráctiles. Todo ello origina estrechamientos de la luz de los vasos con disminución de la irrigación del parénquima. Como consecuencia, pueden presentarse necrosis y atrofias de algunas asas glomerulares o de segmentos de túbulos, pero con más frecuencia se produce hipertensión arterial transitoria. Además, se manifiesta dolor lumbar, hematuria, proteinuria, y en la sangre esosinofilia y anticuerpos. Ejemplo de sustancias productoras de vasculitis renal son las sulfamidas, que además originan depósitos cristalinos en el túbulo y uréteres. Otros agentes son la procainimida, isoniazida, hidralazina, reserpina, metildopa, etcétera. 2. Glomerulonefritis toxicoalérgica El proceso de filtración glomerular merced a la presión hidrostática sanguínea, favorece el depósito de inmunocomplejos en el glomérulo. Aunque no se ha podido evidenciar experimentalmente, la casuística demuestra la aparición de glomerulonefritis después del uso de sustancias como: trimetadiona, sulfamidas, penicilamina, eritromicina, polimixinas, probenecid, sales de oro, derivados orgánicos e inorgánicos de mercurio, derivados orgánicos de bismuto, mostazas nitrogenadas, etc. 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 278 278 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL El proceso inflamatorio puede consistir en discretas alteraciones irregulares de la membrana basal del glomérulo, con fusión de pedicelos de las células de revestimiento. Un grado de mayor gravedad se presenta cuando se produce glomerulosclerosis focal o hialinosis focal y segmentaria, con depósitos de IgM y C3; aquí la evolución progresa hacia la insuficiencia renal. También pueden producirse proliferaciones endocapilares y extracapilares, con depósitos de IgC, C3 y fibrinógeno. La forma clínica más grave parece corresponderse con las que histológicamente presentan una proliferación masiva de células epiteliales glomerulares extracapilares, con formación de numerosas y voluminosas semilunas; la proporción y el tamaño de éstas son tomados como índice de gravedad, por obstruir el espacio urinario. La sintomatología clínica consiste en disminución del filtrado glomerular, hipertensión, edemas, proteinuria y hematuria, con elevación de la creatinina sérica. El pronóstico de las glomerulonefritis tóxicas es muy variable, pues si bien pueden regresar al evitarse el contacto con el tóxico, muchas veces su curso es irreversible y progresivo. 3. Nefritis intersticiales a) Nefritis intersticial aguda Tras la administración de sulfamidas, difenilhidantoína, fenindiona, fenilbutazona, nitrofurantoína, sulfato de colisticina, etc., se han registrado trastornos renales con oliguria, proteinuria, hematuria, elevación de la tensión arterial que puede llegar al cuadro de insuficiencia renal aguda. La biopsia de estos casos ha mostrado infiltración del intersticio por linfocitos y plasmocitos, mientras el hemograma suele presentar una eosinofilia indicativa de afectación alérgica. b) Nefritis intersticial crónica La prolongada administración de analgésicos a base de fenacetina, y también de salicilatos, fenilbutazona e indometecina, produce en ocasiones una nefritis intersticial crónica, de naturaleza esclerosante, con necrosis papilar, más frecuente con combinaciones; por ejemplo, fenacetina y salicílico. Por métodos histoquímicos se han evidenciado cambios estructurales en los mucopolisacáricos del intersticio de la médula renal en pacientes que han abusado de estas sustancias. También se han puesto de manifiesto en los cálices renales unas concreciones de fenacetina y productos de degradación; esto obliga a admitir la posibilidad de un efecto tóxico directo en la génesis patológica. En conjunto, se produce necrosis medular, que evoluciona a fibrosis y esclerosis, con obliteraciones vasculares y atrofias tubulares. Clínicamente se observan cólicos, hematurias, pérdida de sodio, acidosis metabólica y deformaciones en los cálices demostrables por urografía descendente, todo lo cual se corresponde con una pielonefritis crónica. Se ha propuesto, como prueba de detección precoz, la determinación en orina de la N-acetilβ-glucosaminidasa (NAG), enzima presente en la corteza renal, así como alfa-1 y beta-2 microglobulinas y proteína unida al retinol. Especial mención merece la nefrotoxicidad del cadmio. Aunque la absorción por vía oral de altas dosis de sales de Cd origina principalmente trastornos gastrointestinales, la exposición crónica a humos (trabajadores metalúrgicos, soldadores, fabricantes de baterías alcalinas, etc., y fumadores, ya que el tabaco es el artículo de consumo con mayor porcentaje de Cd, porque esta planta retiene el que haya en el suelo, donde el contenido es alto si se usan lodos como fertilizantes) o a alimentos o aguas contaminadas afecta primordialmente al riñón y pulmón; en menor grado se lesiona el sistema cardiovascular y hematopoyético, el sistema nervioso y los testículos; asimismo, se acepta que el cadmio posee poder cancerígeno. Se estima que el riñón es el órgano crítico del Cd; la afectación renal se manifiesta por una proteinuria, indicativa de lesión de túbulo proximal, con distribución de la capacidad de reabsorción y excreción de proteínas de bajo peso molecular como beta-2-microglobulina, lisozima, ribonucleasa, proteína de unión del retinol y cadenas de inmunoglogulina; esta proteinuria permanece mucho tiempo después de interrumpida la absorción. El Cd, como el Zn, se transporta unido a la metalotioneína (MT), proteína inducible por ellos, por lo que su presencia aumentada puede tomarse como indicador de exposición. Las metalotioneínas (MT) son proteínas de bajo peso molecular, en las que el 30 % de los aminoácidos es cisteína, lo que les proporciona una gran can- 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 279 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO tidad de grupos sulfhidrilo que se coordinan con iones metálicos; así una molécula de MT se une a siete átomos de cadmio. Se conocen varias clases de MT en mamíferos, aunque las principales son MT-I y MT-II, que difieren ligeramente en la secuencia de aminoácidos y en los genes que las expresan. Efectivamente, el complejo Cd-MT penetra en las células del túbulo proximal por un proceso de reabsorción de proteínas aniónicas aunque, al parecer, el complejo se disocia en la misma membrana celular, y el metal se une a su diana específica. Los iones de cadmio entran en las células por los canales de Ca++. Aunque el mecanismo de la lesión renal no es aún bien conocido, los hallazgos morfológicos sugieren que la absorción crónica de Cd (incluso a dosis inferiores a 0,2 ppm) produce una constricción de las arteriolas renales y una fibrosis difusa de los capilares. La disfunción renal suele conducir con el tiempo a hipertensión y osteomalacia. Se calcula (Thorne et al., 1986) que la carga corporal de Cd en humanos se distribuye así: el 20 % en riñón, el 15 % en huesos y el 11 % en hígado; y se considera que la «concentración crítica» de Cd en la corteza renal es de 300 µ/g. La vida media de Cd, y por tanto la carga corporal, aumenta con la edad hasta los 40-50 años, en que comienza a disminuir, hasta un mínimo hacia los 80 años (López Artíguez et al., 1995). PATOLOGÍAS TÓXICAS DE LA PIEL La piel es el órgano más extenso del cuerpo y una barrera de protección para los órganos internos. Tradicionalmente, sólo se han venido considerando como tales las lesiones cáusticas, pero en la actualidad se ha acumulado sufiente conocimiento para el desarrollo de la dermotoxicología. Esta rama de la ciencia no sólo se preocupa de la irritación de la piel por los productos químicos y agentes físicos, sino también de la modificación de la penetrabilidad y del metabolismo local, de la alteración de las glándulas ecrinas y aparato pilosebáceo así como de la carcinogénesis. Por otra parte, la inmunología contribuye a la comprensión de los mecanismos de sensibilización y de las dermitis alérgicas y de la fotosensibilización por contacto y por vía sistémica. 279 Una importante causa del desarrollo de la dermotoxicología está en las disposiciones oficiales que obligan al estudio de los posibles riesgos inherentes al empleo de productos que pueden tener contacto con la piel. La estructura de la piel es compleja (Fig. 7.35), aunque de forma simplificada puede esquematizarse (Fig. 7.36) como sigue: posee tres capas, epidermis, dermis e hipodermis. La epidermis o capa más externa está constituida por tres estratos: 1. Estrato córneo, formado por queratinocitos, células muertas y queratinizadas, dispuestas en láminas que se descaman continuamente; es hidrofóbico. 2. Estrato de tránsito , a su vez con tres capas, formadas por: células lúcidas, sin núcleo y que no se tiñen con los colorantes; células granulosas, en proceso de envejecimiento y queratinización; y células espinosas, llamadas así porque cuando se observan aisladas presentan trozos de unos puentes intercelulares (desmosomas) con apariencia de espinas; su afectación conduce al temible melanoma maligno. 3. Estrato basal o g erminativo, cuyas células vivas dan origen a las de las capas superiores; entre ellas están los melanocitos formadores del pigmento melanina Aqui se encuentran anclados lo que se denominan «anejos epidérmicos»: las glándulas sebáceas y sudoríparas, los folículos pilosos, con pelos y vellos, y las uñas. Por su parte la dermis consiste en: a) Zona papilar, formada por paquetes de fibras colágenas y elásticas. Es metabólicamente activa, muy vascularizada y contiene corpúsculos y fibras nerviosas sensitivas. b) Zona reticular, constituida por paquetes de fibras de colágeno sumergidas en la sustancia basal amorfa (mucopolisacáridos). La hipodermis es de estructura más simple, pues consiste en tejido conjuntivo espeso y elástico, con numerosos lobulillos adiposos; sirve de acolchamiento de la piel. La piel es un órgano de gran interés toxicológico, y como el pulmón y el tubo gastrointestinal, que son zonas de contacto y absorción de los xenobióticos, puede presentar las siguientes formas de relación con las sustancias químicas: 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 280 280 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Figura 7.35. Estructura de la piel. CAPAS E P I D E R M I S DERMIS: ESTRUCTURA DE LA PIEL A: ESTRATO CÓRNEO B: ESTRATO DE TRÁNSITO Células muertas Queratina Lúcidas Granulosas Espinosas C: ESTRATO GERMINATIVO: Basal Precursoras Melanocitos Sin estratos Anejos Elastina Gran actividad metabólica HIPODERMIS: Adiposo Esquema 7.36. Capas de la piel. 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 281 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO a) Ser órgano diana, afectado directamente por el tóxico. b) Ser vía de absorción para la posterior producción de una toxicidad sistémica o percutánea. Simultáneamente a la absorción, la piel, que posee gran capacidad metabólica, puede introducir importantes biotransformaciones a los xenobióticos, en lo que se conoce como metabolismo presistémico o efecto de pre-primer paso, realizado por las enzimas presentes en la dermis. c) Ser órgano diana de sustancias que se encuentran en la circulación sistémica. En ocasiones el efecto se presenta como fototóxico, después de la intervención de la luz. Absorción percutánea. La piel como vía de absorción El estrato córneo constituye la principal barrera o impedimento a la absorción a través de la piel, gracias a estar constituido por células muertas y queratinizadas, pero el 20 % de su peso son lípidos, lo que favorece la absorción de sustancias lipófilas. Se acepta que la absorción percutánea de las diferentes zonas del cuerpo puede ordenarse así: plantas/ escroto/ palmas/dorso de las manos/ axilas/cuero cabelludo/brazos/piernas/tronco. Cuando se hidrata el estrato córneo se incrementa grandemente la permeabilidad para sustancias hidrosolubles; esta hidratación puede conseguirse por oclusión de la piel para producir sudoración y por ungüentos o sustancias grasas; la maceración aumenta en dos o tres veces la permeabilidad para el agua y compuestos polares. Las lesiones del estrato córneo, por quemaduras, escoriaciones, eccemas y otras enfermedades de la piel, así como el desengrasado, incrementan la permeabilidad. Esto ocurre con el lavado con detergentes o con disolventes, especialmente los que poseen conjuntamente grupos polares y apolares, como por ejemplo las mezclas cloroformo-metanol o éter-etanol, que parece que no sólo extraen lípidos y proteolípidos, sino que llegan a crear poros en la membrana; el dimetilsulfóxido y otros disolventes, aunque no lesionan, también aumentan la capacidad de absorción. La penetración a través de la piel es regida también por la estructura y tamaño molecular del xenobiótico. La presencia de grupos polares interfiere; los compuestos apolares, lipófilos, pueden penetrar 281 a través de los lípidos del tejido y por los folículos pilosos y glándulas sudoríparas. En general, la permeabilidad aumenta con la liposolubilidad y disminuye con la presencia de grupos polares. La mayor longitud de las cadenas alifáticas favorece la permeabilidad, aunque cadenas de más de 10 C son de movimiento lento; los hidrocarburos penetran más rápidamente que los ésteres, y éstos más que los alcoholes. Los alcoholes puros penetran poco debido a que producen deshidratación y compactación del tejido, y el metanol aún menos por ejercer acción cáustica, probablemente al ser transformado en formaldehído y ácido fórmico. Los electrólitos disueltos en agua penetran mal porque las cargas de los iones interaccionan con los grupos polares del tejido y porque forman unidades de lenta difusión. Los disolventes apróticos, como el dimetilsulfóxido, dimetilformamida, N,N-dimetilacetamida, que se diferencian del agua y de los alcoholes por su tendencia a aceptar protones en lugar de donarlos, favorecen la absorción de sustancias orgánicas e inorgánicas, a lo que contribuyen desnaturalizando la piel. Los gases y vapores también pueden ser absorbidos por la piel si cumplen las anteriores condiciones, pero en muy pequeña proporción en comparación con la absorción pulmonar. Igualmente se absorben partículas sólidas, como lo prueban las alergias a polvos orgánicos e inorgánicos. En definitiva los compuestos que más rápidamente se absorben a través de la piel son los nopolares, de pequeño tamaño molecular y solubles tanto en agua como en lípidos. La cinética de la absorción percutánea cumple la ley de Fick: C A = Kd  CP   d A = Flujo o cantidad absorbida por unidad de tiempo y área. Kd = Coeficiente de difusión de la sustancia. CP = Coeficiente de partición entre el vehículo y el estrato córneo. C = Diferencia de concentración a ambos lados de la piel. d = Espesor de la piel. Hasta el momento se han identificado 10 pasos en la absorción percutánea, y se distinguen tres procesos distintos denominados penetración, permeación y absorción. 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 282 282 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Toxicodermias Tras el contacto con agentes físicos, sustancias químicas y medicamentos y su absorción pueden aparecer sobre la piel unas reacciones que, genéricamente, se conocen como toxicodérmicas, y pueden deberse a sobredosificación y acumulación o depósito sobre la piel, a efectos dismetabólicos (p. ej., alteración del metabolismo de los lípidos), a intolerancia o exacerbación de enfermedades preexistentes o latentes, a trastornos inmunitarios y a fototoxicidad. La presencia de algunas sustancias sobre la piel puede detectarse con un monitor de fluorescencia. Las manifestaciones toxicodérmicas o erupciones se presentan en forma de eritemas (enrojecimiento), exantemas (punteados o manchas rojizas), vejigas o ampollas y necrosis epidérmica, que terminan en descamación o exfoliación de la piel. De los anteriores términos merece que se presente un breve glosario, al objeto de la mejor comprensión de lo que sigue: Abrasión, erosión: pérdida de epidermis; afecta sólo al epitelio de la piel o mucosas. Angioedema o edema angioneurótico: (angio = vaso) es una tumefacción por edema del tejido dérmico, subcutáneo y submucoso, normalmente de las zonas subcutáneas laxas como párpados, labios, laringe, bronquios, abdomen, etc. Causticación, corrosión: destrucción superficial del tejido; una forma de dermatitis de contacto por agentes químicos, con alteraciones irreversibles tras la inflamación, edema, ampollas, exudación, necrosis, úlcera y cicatriz. Edema: acumulación de líquido seroalbuminoso extravasado por aumento de la permeabilidad de la pared de los vasos, enlentecimiento circulatorio, cambios en la presión hidrostática o en la oncótica de la sangre, etc. Puede acompañarse de desequilibrios hidroelectrolíticos y disminución del volumen de sangre. Eccema: alteración de la piel con erosión, vesículas y descamación más enrojecimiento (eritema). Eritema: enrojecimiento cutáneo en zona circunscrita, como consecuencia de vasodilatación y mayor aporte sanguíneo (congestión, hiperemia). Dermitis, dermatitis: inflamación de la piel con eritema y, en ocasiones, exudación, vesículas, costras y escamas (eccema). Inflamación: reacción localizada o extensa del organismo ante un estímulo físico, químico o biológico, con aparición de vasodilatación, la cual origina los tres síntomas clásicos: enrojecimiento o rubor (eritema), calor, a consecuencia de la mayor afluencia de sangre, y edema. Puede acompañarse de dolor y de trastornos funcionales. Irritación: respuesta inflamatoria a agentes físicos o químicos, sin erosión o abrasión. Úlcera: pérdida de epidermis y de dermis, e incluso de capas inferiores (muscular, etc.). Urticaria: consiste en afectaciones transitorias de la piel debidas a vasodilatación (eritema) y edema de la dermis (lesión eritematoedematosa), normalmente con prurito (picor); vulgarmente se les conoce como ronchas o habones. Vesícula, bulla: ampolla con líquido de edema. También puede aparecer pigmentación o despigmentación, por depósitos del producto o alteraciones en la síntesis de melanina, a causa de exposición a metales (As, Bi, Hg, Ag, Pb, Au, etc.), medicamentos, etc. Se afectan también el pelo, las uñas y las glándulas. Las afecciones de la piel y sus anexos causadas por los agentes químicos pueden agruparse así: 1. Irritación a guda primaria: Consiste en una respuesta inflamatoria de carácter local y reversible de la piel como consecuencia a un contacto único con el agente químico. Esta reacción no implica ningún mecanismo inmunitario. La producen las sustancias a pH no fisiológico, los oxidantes, desengrasantes y deshidratantes. 2. Irritación acumulada: Es una irritación primaria que se presenta después de reiteradas o repetidas aplicaciones del tóxico, a una concentración inferior a la que origina la irritación aguda primaria. 3. Corrosión: Consiste en la desintegración o alteración irreversible de la piel en la zona de contacto, con producción de úlcera, necrosis y cicatriz. La originan las mismas sustancias que producen irritación, cuando inciden a mayores concentraciones o persistencia. 4. Dermatitis alérgicas: Se producen a través de un proceso inmunitario, en que el tóxico actúa como antígeno o como hapteno, originando bien una reacción localizada (eritema, eccema) en el lugar del contacto, o bien una urticaria generalizada, a veces con descamación de grandes zonas de la piel. 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 283 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO 5. Reacciones fotoquímicas: La piel experimenta manchas, eritemas o incluso lesiones irritativas o corrosivas cuando, después de absorber por cualquier vía el agente químico, se expone a la luz actínica o solar. Abarca la fototoxicidad y la fotoalergia. 6. Depilación: La aplicación local o distribución sistémica de sustancias como sales de talio, etc., originan la caída del vello y cabello. También pueden afectarse las uñas. Actualmente se están utilizando como depilatorios, o al menos como retardadores del nacimiento del vello, algunos compuestos de amonio cuaternario, surfactantes catiónicos, que ejercen acción citotóxica sobre las células germinativas del pelo; pueden producir efectos irritativos sobre la piel. Igualmente se aplican mucho para este fin el láser y la luz pulsátil. Ambas formas de energía pertenecen a las radiaciones electromagnéticas no ionizantes; la palabra láser es el acrónimo de la expresión en inglés que significa amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación; consiste en un rayo muy estrecho (colimado) de fotones, con alta energía, de una sola longitud de onda (comprendida entre 700 y 1400 nm, según la sustancia que los emite) y por tanto monocromático, no visible, concentrable y direccionable. Se origina cuando una sustancia sólida o gaseosa en estado excitado recibe un estímulo externo (generalmente de tipo eléctrico) que le induce a emitir fotones. Por su parte, la luz pulsada o pulsátil es emitida por lámparas tipo flash, generalmente de xenon, de forma discontinua, como pulsos o trenes de energía de entre 200 a 1200 nm, generalmente de 640 nm; es policromática que debe seleccionarse mediante filtros de cuya elección depende el éxito o fracaso de la aplicación y, a diferencia del láser, no es fácil de direccionar. Estas energías lumínicas son absorbidas por las sustancias coloreadas, como la melanina o la hemoglobina; al reaccionar con ellas desprenden calor y queman el objetivo sobre el que inciden, como por ejemplo, el bulbo piloso a causa de su melanina (por ello también se aplican para eliminar manchas cutáneas) o la hemoglobina de vasos sanguíneos superficiales ( en arañas vasculares o telangiectasias, o neoformados incluso en la retina). El calor desprendido provoca quemaduras dérmicas de variada intensidad, que obligan a la aplicación tópica de anestésicos a base de lidocaína, tetracaína, benzocaína, etc., que han originado 283 casos de intoxicación por abuso de los mismos, por hacer ejercicio tras su aplicación o por haberse protegido la zona con plásticos, que favorecen la absorción sistémica, como se ha visto anteriormente; por esta razón la FDA norteamericana recomienda que el empleo sea siempre bajo supervisión de especialistas, que el tratamiento se limite a pequeñas zonas de piel y que no se abuse de los anestésicos. 7. Afectación de las glándulas: Apocrinas (sudoríparas) o ecrinas (sebáceas) y producción de cloroacné. Comedogenicidad: Es la capacidad de algunas sustancias para producir acné. El acné es una manifestación inflamatoria e infecciosa, con producción de pus, en los folículos pilosos y glándulas sebáceas; es frecuente en la pubertad a causa de alteraciones hormonales (véase más adelante en apartado de Afectación de las glándulas sebáceas). 8. Pigmentación y despigmentación: Aparte del aumento de la pigmentación general de la piel que aparece, incluso en los individuos de raza negra, tras exposición a la luz solar o la ultravioleta por incremento de la síntesis de melanina (melanogénesis) en las zonas irradiadas, en ocasiones se producen hiperpigmentaciones o manchas de color marrón pardo u oscuro, localizadas generalmente en la cara (mejillas, frente, labios, nariz, mentón) o en el cuello, escote y brazos, que reciben el nombre de melasmas (del griego, mancha oscura). Tienen bordes delimitados y color uniforme, aunque a veces posean moteados simétricos, y se presentan normalmente en mujeres jóvenes que, además de haberse expuesto al sol, han absorbido medicamentos fototóxicos (véase más adelante), como antidepresores, difenilhidantoína, anovulatorios (aunque no las produzcan la terapia hormonal sustitutoria en mujeres postmenopáusicas), etc.; se intensifican durante la menstruación y desaparecen espontáneamente uno o dos meses después de interrumpir la absorción del tóxico, aunque pueden recurrir. Se admite que son debidas a un aumento en la formación de melanocitos y su transferencia a los queratinocitos de la epidermis, bajo una influencia hormonal. Una forma particular es el cloasma gravídico, propio de las embarazadas. Diferentes son las manchas por dermatitis de contacto, generalmente por perfumes con aceite de bergamota, las que quedan después de alguna 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 284 284 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL inflamación, que tienen márgenes borrosos, y las propias del envejecimiento de la piel. Tras la toma de baños de sol o de luz ultravioleta (véase más adelante) para el bronceado manteniendo sobre la piel restos de perfumes y cosméticos, pueden aparecer manchas o bronceado irregular. Existen dos tipos de cosméticos dirigidos a oscurecer la piel: los bronceadores con sol o sin sol. En realidad estos últimos no hacen más que colorear la piel, y son sustancias minerales como óxidos de hierro o el permanganato potásico, o compuestos vegetales que tiñen la piel, como extractos de cáscara de nuez, de castaño, de encina, disoluciones de taninos, etc. Algunas sustancias sintéticas, como los derivados de la dihidroxiacetona, reaccionan con aminoácidos de la queratina produciendo un color oscuro. Los derivados del ácido cinnámico (del aceite de canela), componentes ordinarios de los bronceadores sin sol, pueden producir irritaciones en mucosas, por contacto y por ingestión, así como alergias. Los bronceadores con sol son sustancias con grupos que se activan con la luz, originando una reacción fototóxica (véase más adelante); entre aquellas, las furocumarinas y los psoralenos pueden originar daños en la piel al cabo de los años. Por otra parte, el abuso por vía oral de carotenoides o retinoides por personas deseosas de conseguir rápidos bronceados ha producido trastornos similares a los causados por sobredosis de vitamina A, consistentes en alteraciones del SNC (somnolencia, náuseas, vértigos, cefaleas), y gastrointestinales (diarrea) en la intoxicación aguda, mientras que la hiperabsorción crónica origina descamación cutánea y mucosa, y dolores óseos; además se han observado afectaciones oftálmicas, con cristalización del producto en la retina. El alquitrán de hulla, fracciones del petróleo y los psoralenos, que son fototóxicos, producen hiperpigmentación. Algunas sustancias químicas, como compuestos mercuriales, la hidroquinona y su monobencil éter, fenoles, catecoles y diversos compuestos de aplicación industrial como antioxidantes, en contacto con la piel o por vía oral, producen despigmentación o leucodermia. En estudios realizados in vitro con cultivos de melanocitos se ha visto la formación de radicales libres de semiquinona, la cual inicia una peroxida- ción lipídica que destruye la membrana lipoproteica de los melanocitos. 9. Porfirias. Como ya hemos apuntado en el apartado 2.a.1 de este capítulo, al hablar de la hemoglobina, la formación elevada de porfirinas, por causa genética o tóxica o por ambas conjuntamente (como consecuencia de mayor sensibilidad a los tóxicos) ocasiona la enfermedad conocida como porfiria, con diversas presentaciones clínicas. Quizás la forma más frecuente es la llamada porfiria cutánea, apellidada tardía por aparecer en individuos de edad media, principalmente en hombres y con lesiones hepáticas o cirrosis. Los afectados presentan gran fotosensibilidad, pues las porfirinas almacenadas en la piel, bajo la influencia de la radiación lumínica, liberan radicales libres que lesionan piel y tegumentos con manchas (hiperpigmentación), edemas, erupciones, ampollas y destrucciones y retracciones del tejido; la hiperpigmentación y el hirsutismo que se desarrolla pudieran ser con intenciones defensivas. La orina, los dientes y la esclerótica del ojo se colorean de rojo. Se experimentan dolores abdominales y musculares, y parestesias y trastornos neuropsiquiátricos; el ataque agudo de porfiria puede ser una urgencia médica que exige tratamiento inmediato; se recomiendan dietas ricas en carbohidratos de liberación lenta y proteínas (véase Patologías hepáticas). 10. Tumores cutáneos: Las radiaciones ionizantes, las UV y los rayos X, hidrocarburos policíclicos, derivados inorgánicos de arsénico, nitrosaminas, resinas aromáticas epoxi, los psoralenos y otras sustancias han sido considerados como inductores de diversos tipos de tumores en piel y otros tejidos. Tras prolongado o reiterado contacto con algunas sustancias, como 3,4-benzopireno y compuestos relacionados, formaldehído, resinas epoxi, etc., se puede producir queratosis papilar y carcinomas de células escamosas. El cloruro de vinilo monómero, tras su biotransformación al correspondiente epóxido, provoca melanoma más angiosarcoma hepático. La luz ultravioleta es actualmente el más temible agente de cáncer de piel, tras reiterada exposición al sol y como consecuencia de la mayor incidencia de los rayos UV al pasar, sin ser filtrados, a través del «agujero» de la capa de ozono; se acepta que las lesiones cutáneas producidas por el sol en los niños se cancerizan posteriormente en el adulto (véase más adelante). Las zonas donde más fre- 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 285 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO cuentemente se desarrolla cáncer de piel inducido por el sol son: cara, cuello, brazos, espalda y cabeza; estudios epidemiológicos revelan que en Europa y América, donde los conductores de automóviles van sentados a la izquierda, experimentan mayor incidencia de cáncer en la mejilla y el brazo izquierdo, al contrario que los conductores en el Reino Unido y en Asia, que reciben el sol por la derecha. La melanina ofrece una cierta defensa frente a la luz, por lo que las personas de piel morena están más protegidas, mientras que los labios, las palmas de las manos y las plantas de los pies son muy sensibles al carecer del pigmento. Seguidamente ampliaremos conceptos de las patologías que acabamos de definir. Irritación y causticación Ordinariamente se consideran cáusticos y corrosivos típicos a las disoluciones con pH alejado del fisiológico, próximo al neutro, pero, por otra parte, se ve que sustancias con pH = 1 causan graves quemaduras mientras que otras al mismo pH no lo hacen. Se deduce, pues, que deben concurrir otras condiciones para producir irritación y corrosión. Tratando de establecer una relación cuantitativa estructura-actividad (QSAR) para la corrosividad, Barrat (1995) considera que si las sustancias han de penetrar en la piel y seguidamente ejercer una acción citotóxica, son aplicables los mismos parámetros que para medir la absorción percutánea, es decir: pequeño volumen molecular, capacidad de penetración (coeficiente de partición octanol-agua, expresado como log P) y bajo punto de fusión, junto con un parámetro de citotoxicidad, que sería el pKa (el logaritmo negativo de la constante de disociación) para los ácidos y el pKb (14,00-pKa) para las bases, considerando neutras a las disoluciones con constante de disociación igual a 14. Las sustancias con bajo pKa o pKb, pequeño volumen molecular, bajo punto de fusión y alto log P serán las más corrosivas o cáusticas. Como ejemplos tendremos, considerando globalmente tales parámetros, anotándolos en el orden citado, que son corrosivos los ácidos acético (4,75, 46,16, 37, -0,319), fórmico (3,75, 34,57, 37, -0,641), acrílico (44,25, 55,84, 37, 0, 103), oxálico (muy polar pero con bajo pKa, 1,23, 59,91, 106, 0,452). Tam- 285 bién es corrosivo el ácido hexanoico (ácido débil, pero muy penetrante (4,88, 97,06, 37, 1,773), etc. Por su parte, las aminas alifáticas son más corrosivas que las aromáticas y heterocíclicas, que poseen un pKb alto (bases débiles). Así tenemos que dietilamina (3,23, 72,11, 37, 0,950) es más cáustica que trietanolamina (6,23, 122,4, 37, -2,677) o piridina (8,75, 57,03, 37, 0,653). Desde un punto de vista más práctico, parece ser útil aún, aunque no siempre se corresponda con los efectos in vivo, la propuesta de Young y colaboradores (1988), de la asociación inglesa de la industria de jabones y detergentes, que clasifica a las sustancias atendiendo al pH y a la reserva ácida o alcalina de cada disolución. Denomina reserva ácida la cantidad de gramos (o equivalentes) de hidróxido sódico para llevar a pH = 4 a 100 g de la sustancia en la dilución que se considera. La reserva alcalina viene expresada también por los gramos de hidróxido sódico que equivalen a la cantidad de ácido sulfúrico requerido por llevar la disolución en estudio a un pH de 10. Este concepto de reserva ácida o alcalina representa la capacidad de una sustancia para mantener su pH (capacidad tampón), lo que parece tener más influencia en los efectos lesivos que el pH solo. Después de determinar estos parámetros en disoluciones de diferentes productos a distintas concentraciones y comparar los resultados con la clasificación de sustancias irritantes y corrosivas (según datos in vivo) contenida en la Directiva 67/548CE, de la Unión Europea, Young y colaboradores concluyen que: A) Son sustancias irritantes aquellas en que: a.1. El pH + 1/6 de la reserva alcalina es  13. a.2. El pH - 1/6 de la reserva ácida es  1. B) Son sustancias cáusticas o corrosivas aquellas en que: b.1. El pH + 1/12 de la reserva alcalina es , 14,5. b.2. El pH – 1/12 de la reserva ácida es  –0, 5. En resumen, la acción de los cáusticos y corrosivos deriva de su capacidad para neutralizar componentes químicos de los tejidos, llegando a invertir el pH natural, reacción química que, muchas veces, se acompaña de una reacción térmica ocasionada por el llamado «calor de reacción», que agrava los efectos. 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 286 286 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Como ya vimos (Capítulo 6) los compuestos de carácter ácido (pH bajo próximos a 1), corrosivos, coagulan las proteínas y fijan y endurecen los tejidos, mientras que las bases (pH altos, alrededor de 12), cáusticos, reblandecen los tejidos y se infiltran entre sus capas, formando proteinatos y una especie de papilla jabonosa, por saponificación de los lípidos celulares, originando lesiones de más difícil curación. Esquemáticamente, los álcalis producen: eritema, edema, inflamación y úlcera, que puede llegar a las capas submucosa y muscular de esófago y estómago, e incluso perforarlas (véase más adelante). Por su parte, los ácidos originan más directamente vejigas y necrosis coagulativa o de coagulación, con endurecimiento del tejido, que suele adquirir un color dependiendo del ácido: negro con sulfúrico, amarillo con nítrico, blanco con tricloroacético, etc. Los ácidos fluorhídrico y fluosilícico, presentes en algunos productos de limpieza doméstica y de acristalado de suelos, poseen propiedades particulares, ya que además de la acción corrosiva por contacto y penetrar fácilmente en los tejidos donde secuestran a los iones Ca++ y Mg++, lo que provoca la muerte celular, si pasan a vía sistémica originan hipocalcemia e hipomagnesemia que conducen a fallo cardíaco por trastornos de conducción y fibrilación ventricular. Consecuentemente, la gravedad de los daños que pueden provocar cáusticos (alcalinos) y corrosivos (ácidos), depende de: — pH, concentración y cantidad del producto, — tiempo de contacto con el sujeto, — capacidad para penetrar en los tejidos, — reserva ácida o alcalina del producto. (Volumen de agente neutralizante que es pr eciso para igualar el pH del pr oducto al del tejido ); cuanto mayor sea el valor de la «reserva», más daño producirá. Los principales órganos diana de cáusticos y corrosivos son: piel, ojos, tracto gastrointestinal y tracto respiratorio. Afectación de las glándulas sudoríparas Diversos productos aumentan la producción de sudor, bien tras aplicación tópica (alcoholes del tipo 2,4-hexanediol, 3-hexen-1-ol, 1,5-pentane- diol, 1,6-hexanediol; aldehídos como el propionaldehído; compuestos organofosfatos inhibidores de la acetilcolinesterasa, etc.), o bien por vía sistémica, como ocurre en la intoxicación por monóxido de carbono, a causa de la hipertermia que origina, o en la intoxicación por barbitúricos, meprobamatos, glutetimida, imipramina, metadona, metacualona, dioxinas, etc., que provocan la formación de petequias y bullas asociadas a necrosis de las glándulas sudoríparas. Pero hay un mayor número de sustancias que inhiben la sudoración, tanto por vía tópica como sistémica; citemos los anticolinérgicos y antiadrenérgicos, tanino, sales metálicas, ácidos orgánicos (bórico, cítrico, salicílico, benzoico), etc. La aplicación sobre la piel de los desodorantes cierra los poros y frena el desarrollo bacteriano que descompone al sudor y aumenta el mal olor, pero puede provocar irritación local y reacción tisular a los restos metálicos (Al, Zn, Zr) incluso como impurezas, originando granulomas. Afectación de las glándulas sebáceas. Cloroacné Sin necesidad de que se estimule la producción de grasa, las glándulas sebáceas pueden ver afectada su capacidad de excreción, manifestando lo que se conoce como acné; dado que una gran parte de las sustancias que lo producen, por contacto o por vía sistémica, son hidrocarburos clorados, se suele utilizar el término de cloroacné. Ejemplo de dichas sustancias son: cloronaftalenos, clorobencenos, clorofenoles, policloro-benzodioxinas (PCDD), clorobifenilos, así como petróleo crudo, alquitrán, asbesto, etc. El proceso patológico comienza con comedones (tapones de sebo, polvo y células epiteliales, que ocluyen el canal excretor de la glándula), producidos por proliferación de células escamosas en los acini de las glándulas y acantosis en la porción externa, y puede evolucionar a quiste, absceso y escaras y cicatrices, que en ocasiones se han visto asociados con lesiones hepáticas y trastornos nerviosos. Por otra parte, se admite que algunos productos acnérgicos, como las grasas y lubricantes industriales (taladrinas), pueden conducir microorganismos que produzcan infección en el folículo piloso. 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 287 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO Como procedimiento de estudio experimental de la capacidad de las sustancias para producir acné, se suele aplicar el producto (cinco días a la semana, durante dos semanas) en el canal del oído externo de conejos, en una sola de las orejas, dejando la otra de testigo. Interés toxicológico del pelo El pelo es un tallo córneo flexible formado por queratina dura, que se desarrolla a partir de las células germinativas del epitelio, invaginado, que profundiza hasta la dermis. Esta depresión de la epidermis se denomina folículo piloso. La parte externa del pelo se llama tallo, y la profunda raiz, que termina en un abultamiento conocido como bulbo piloso; en el interior de éste se halla la papila, que es de tejido conjuntivo y es el órgano de nutrición del pelo, de cuyas células nace y crece un nuevo pelo. El crecimiento del pelo de la cabeza humana (cabello) tiene una velocidad entre 0,3 y 0,4 mm diarios, lo que supone una media de aproximadamente 1 cm al mes, aunque hay periodos en que el crecimiento se detiene. El cabello tiene una vida de 3 a 5 años, aunque, como las uñas, el crecimiento y la pervivencia dependen de múltiples factores exógenos y endógenos. Junto a la raíz del pelo existen células pigmentarias que ceden pigmento al tallo; igualmente las células epiteliales de éste conservan las sustancias circulantes en la sangre en el momento de formar parte del tallo, por lo que el análisis de fragmentos ordenados del pelo permite conocer qué sustancias orgánicas e inorgánicas habían sido absorbidas por el sujeto en el tiempo del crecimiento de cada fragmento de pelo; esto es útil para determinar el consumo de drogas o la exposición crónica a otras sustancias (Soria et al., 1992; Jurado et al., 1995), y conseguir lo que hemos denominado perfil cronológico de una e xposición pretérita, mediante el análisis secuencial de sucesivos fragmentos de un mechón. El color del pelo se debe a la melanina; este pigmento es un polímero de indol-5,6-quinona (que se forma a partir del aminoácido tirosina), acompañada de sus productos de oxidación como el ácido 5,6- indolcarboxílico; la carga aniónica de éste se une a cationes metálicos y orgánicos, que son retenidos en los tejidos ricos en melanina, como piel, 287 pelos, ojos (iris, coroides, retina), oídos, etc; por ello, los pelos oscuros retienen más compuestos exógenos que los claros. Estos compuestos no experimentan biotransformaciones y se conservan indefinidamente en la forma química (sustancia absorbida o metabolito) en que se hallaban en la sangre cuando se fijaron al pelo en momento de iniciar el crecimiento de este. Dermatitis por contacto (eccema localizado) En 1895, Jadassohn reconoció que algunas reacciones de la piel no son causadas por la acción directa de sustancias químicas sobre la piel, sino por una progresiva sensibilización de ésta ante repetidos contactos con aquéllas; se admitía así que algunas dermatitis o eccemas poseen una base alérgica o inmunitaria. En la actualidad se considera la sensibilidad por contacto como una forma de hipersensibilidad retardada a complejos constituidos por sustancias de bajo peso molecular, conjugadas in vivo con proteínas autólogas. Dichas sustancias deben ser capaces de atravesar la piel y formar enlaces covalentes con las proteínas, por lo que la capacidad de tales sustancias para producir sensibilización vendrá dada por su solubilidad en lípidos y su reactividad con las proteínas. Hasta el momento se ha detectado un amplio número de sustancias con capacidad alergénica; de ellas, las más activas son el níquel y el cromo y sus compuestos, que han resultado ser responsables de irritación, dermatitis por contacto y cáncer en trabajadores y numerosas personas, por la gran difusión de objetos fabricados con estos elementos, como monedas, bisutería, cubiertos, pinturas, o productos fabricados con el uso de molinos de bolas o piezas de aceros al cromo o níquel; también el cuero curado con sales de estos elementos; disposiciones de la UE prohíben la fabricación de juguetes, utensilios y bisutería que puedan ceder níquel por contacto. El mercurio y sus compuestos poseen, igualmente, capacidad sensibilizante. Otro potente sensibilizador de la piel es la pfenilendiamina, utilizada en colorantes y tintes para el pelo; produce alergias cruzadas con otras 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 288 288 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Tabla 7.10. Agentes de dermatitis alérgica por contacto Anestésicos locales Procaína, benzocaína Antibióticos Neomicina, estreptomicina, sulfamidas Antihistamínicos tópicos Antisépticos conservadores Parabenos Amonios cuaternarios (benzalconio) Formaldehído Caucho, gomas, (apósitos, guantes), proteínas, plastificantes, aditivos Corticoides tópicos Filtros solares Prótesis dentales metales (níquel) acrilatos aminas, como la anilina, sulfamidas, procaína y sustancias con sustituyentes en posición para, como el p-aminobenzoico, p-aminosalicílico, etcétera (Tabla 7.10). La etilendiamina, utilizada como alcalinizante y emulsionante, origina reacciones cruzadas con otras, como los antihistamínicos. Citemos, por último, el formaldehído, de amplio uso industrial, y como conservador de numerosos productos domésticos y, en menor escala, como endurecedor de las uñas; es un potente sensibilizador y cancerígeno. Desde un punto de vista histológico, se encuentran en la literatura afirmaciones contradictorias, motivadas porque la observación se debió efectuar en diferente momento de evolución. Se admite que, en general, la dermatitis aguda se inicia por un edema, tanto intracelular como intercelular. El edema intercelular rompe los puentes de unión entre las células (acantolisis) y conduce a una espongiosis con formación de numerosas vesículas separadas por finas paredes; la capa córnea se hace hiperqueratósica, y el aumento de edema intersticial y de actividad mitótica conduce a la acantosis y paraqueratosis. Pueden encontrarse aquí linfocitos, neutrófilos y eosinófilos. Por su parte, el edema intracelular es considerable y las células epidérmicas quedan con sus membranas muy distendidas. Las lesiones suelen desaparecer en uno o varios días, según el grado de sensibilización. La inflamación crónica puede acompañarse de otras alteraciones, especialmente del granuloma, que es una proliferación de células epitelioides mononucleadas diferenciadas en el tejido como respuesta al estímulo tóxico. Es una lesion crónica, focal, que puede ulcerarse o no. Hace años se han descrito casos de granulomas en las axilas como consecuencia del uso de barras desodorantes que contenían zirconio. Las personas con esta respuesta dérmica formaron granulomas de células epitelioides cuando se les inyectó intradérmicamente pequeñas cantidades de sales de zirconio. En resumen, las dermatitis o eccemas por contacto o localizados pueden responder a mecanismos inmunitarios o a no inmunitarios. En el primero se produce desgranulación de mastocitos con liberación de histamina y demás mediadores e intervención de inmunoglobulina IgE en reacción de hipersensibilidad inmediata tipo I, o de tipo III por inmunocomplejos circulantes; el no inmunitario o pseudoalérgico se denomina también anafilactoide y no requiere sensibilización previa. Urticaria y angioedema Ya han sido definidos anteriormente; en el 50 % de los casos aparecen asociados, y su mecanismo de producción es similar, generalmente a causa de la acción de histamina sobre los receptores H1 (en la piel no hay H2) o de otros mediadores (acetilcolina, bradiquinina, serotonina, metabolitos del ácido araquidónico o del complemento, etc.) liberados en la desgranulación de los mastocitos, de acuerdo con un proceso inmunitario, o bien, por absorción de dichas sustancias o su liberación de los depósitos fisiológicos (en procesos no-inmunitarios o de pseudoalergia). Los cuadros clínicos de estas patologías pueden ser agudos (cursan en unos días), crónicos (más de seis semanas) o crónicos intermitentes, pero se diferencian de las dermatitis de contacto, en que no hay lesión cutánea (eccema). Podemos distinguir las siguientes: Urticarias físicas Se desencadenan en individuos susceptibles, por la acción de muy diferentes agentes físicos, como los siguientes: 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 289 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO Roce o fricción : al rayar o escribir suavemente sobre la piel, frotamiento enérgico (al secarse con una toalla), en caso de labilidad neurovegetativa (Dermografismo). Presión: en los lugares sometidos a compresión, por cinturones, ligas, cintas, sostenes, zapatos, etc., después de interrumpir la presión (urticaria retardada). Ultrasonidos y vibr aciones, uso de aparatos de fisioterapia, maquinaria vibratoria (cortacésped, motocicletas, martillo neumático, etc.). Calor y ejercicio físico, como respuesta a estimulación de la inervación simpática colinérgica de las glándulas sudoríparas. Frío, al contacto con hielo, agua u objetos fríos, tiempo desapacible, con formación de crioglobulinas. Radiaciones luminosas: luz visible, luz solar (radiaciones visibles, ultravioleta e infrarroja), incluso a través de la ropa (véase Fotoalergia, seguidamente). Suele responder a un mecanismo de hipersensibilidad tipo I. En general, son de tipo inmediato, excepto la urticaria retardada por presión, y de mecanismo no inmunitario. Urticaria de contacto Tras el contacto con el alergeno, aparecen transitoriamente habones en la piel, tanto por proceso inmunitario (IgE) como no inmunitario. Los alergenos más frecuentes son metales (cromo, níquel en objetos de bisutería o accesorios, broches o remaches en las ropas), perfumes, aditivos alimentarios y productos animales o vegetales. Urticaria por picaduras de insectos Las de curso inmediato están ocasionadas por intervención de IgE; pueden evolucionar a formas retardadas papulosas, de lenta curación. Urticaria por contacto de distribución sistémica Una forma diferente de toxicidad cutánea es la urticaria por contacto, que presenta un síndrome no localizado, sino sistémico, y que puede conducir a la muerte del paciente. Generalmente, la sintomatología de esta urticaria por contacto aparece dentro de 289 los 30 min de la incidencia del alergeno. Se admite que el mecanismo fisiopatológico puede ser inmunitario. Éste es el más frecuente y para su producción se requiere que la sustancia penetre en la piel; inmediatamente se libera histamina, bradicinina y otras sustancias vasoactivas. Los agentes productores de este tipo de urticaria de base no inmunitaria se encuentran en numerosas plantas y artrópodos, así como en el cloruro de cobalto, el dimetil-sulfóxido, histamina, ésteres del ácido nicotínico, etc. La urticaria alérgica sistémica por contacto, de base hipersensible tipo inmediato, no es muy común, pero es producida por sustancias considerablemente dispares, desde patata cruda, a desinfectantes, benzofenona, mostazas nitrogenadas, ácido acetilsalicílico, etc. La reacción puede llegar a la crisis anafiláctica y muerte. Se han descrito casos de sensibilización a diversos productos, con aparición inmediata de urticaria, pero sin que se lograra explicar el mecanismo aunque se admita la liberación de histamina hística. Entre dichos agentes cabe destacar el persulfato amónico, empleado como blanqueante y decolorante del cabello, la luz solar y el agua. Se denomina también urticaria alérgica sistémica aguda y, generalmente, se debe a reacción de hipersensibilidad tipo III, por inmunocomplejos circulantes, que puede producir choque anafiláctico, y aunque sobre la piel aparezca urticaria y angioedemas, se suele acompañar de edema de glotis (que dificulta la respiración), broncoespasmo, disnea aguda y trastornos intestinales (náuseas, vómitos, dolor, etc.) y, en los casos graves, arritmia cardiaca, hipotensión y shock. Angioedema por fármacos Algunos medicamentos producen angioedema sin urticaria; el trastorno puede aparecer a los pocos días de comenzado el tratamiento, pero otras veces se presenta a los meses o años del consumo. Ejemplos de estos fármacos son los inhibidores de la enzima convertasa de la angiotensina (IECA), los AINES, contrastes yodados, etc. Dermatitis seborréica Se trata de una afección papuloescamosa que aparece en distintas partes del cuerpo, generalmente ricas en glándulas sebáceas, con escamas grasas 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 290 290 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL o secas en zonas enrojecidas e inflamadas; se distingue de la caspa en que esta no se acompaña de inflamación. No se conoce bien su etiología, pero suele complicarse con infecciones fúngicas, y se induce o agrava en los tratamientos con muy diversos medicamentos, como: los neurofármacos buspirona, clorpromazina, haloperidol, fenotiazinas, metildopa, litio; los antibacterianos isoniacida, rifampicina, etc., el antifúngico griseofulvina; el antisecretor gástrico cimetidina; los psoralenos, el interferón, etc. Efectos nocivos de la luz La luz es fuente de vida; sin ella no sería posible la función clorofílica y, por tanto, la vida vegetal ni, consecuentemente, la animal. Sirve también para sincronizar los ritmos fisiológicos (véase Cronobiología, Capítulo 8). Pero no es un agente inocuo; su incidencia excesiva, favorecida por el llamado «agujero de ozono», produce o agrava diversas patologías, particularmente, de la piel. Entre estos efectos cabe distinguir: a. Eritema y quemadura solar, según que la exposición sea mediana o intensa; se manifiesta a las pocas horas del comienzo de la exposición y es máxima a las 24-36 horas; cuando disminuye aparece el bronceado, por estimulación de la síntesis de melanina. b. Fotoenvejecimiento cutáneo mucoso en las zonas más fotoexpuestas, como cara, escote, cuello, manos, calva, tanto por causa laboral como recreativo. La piel adquiere una coloración grisácea, telangiectasias (venillas), arrugas, pérdida de elasticidad, manchas y queratosis. c. Fotodermatosis idiopáticas, en que, como consecuencia de una fotosensibilidad de causa desconocida, se manifiesta la enfermedad en forma de prurito (picor), urticaria, erupción, dermatitis actínica crónica y endurecimiento y envejecimiento de la piel. d. Fotodermatosis por enfermedades metabólicas (por ejemplo, las porfirias), en que metabolitos endógenos dan lugar a fotosensibilidad. e. Agravamiento por la luz de enfermedades como lupus eritematoso, rosácea, pitiriasis, herpes simple, etc. f. Fotoalergia y Fototoxicidad originadas tras la activación por la luz, de sustancias absorbidas por cualquier vía (véase más adelante). Además, la luz recibida de forma moderada estimula el sistema inmunitario, pero a grandes exposiciones lo perjudica. g. Cáncer cutáneo originado por acción de la luz ultravioleta sobre las células basales (melanoma benigno o basotelioma) o sobre las células espinosas (melanoma maligno o espinotelioma). La luz UV (tanto en sus fracciones A como B) es un carcinógeno directo, pues lesiona al ADN celular, siendo particularmente activa y lesiva la radiación recibida durante los primeros 18 años de la vida. Cuanto mayor sea la longitud de onda de las radiaciones, menor es su actividad, pero mayor es su capacidad de penetración en la piel, y pueden llegar hasta la dermis. De las radiaciones electromagnéticas que emite el sol, parte se pierde en el vacío, parte es absorbida por la capa de ozono estratosférico, parte reacciona con los agentes contaminantes atmosféricos, o con el ozono troposférico (a ras de la tierra) y parte por las nubes. Finalmente, el cuerpo es defendido por la queratina (por ello, a consecuencia de la exposición se produce un aumento del grosor de la capa córnea, con hiperqueratinización), el ácido urocánico presente en el sudor, y la melanina; ésta absorbe o refleja a las radiaciones inferiores a 300 nm y a los radicales libres, por lo que constituye la mejor defensa personal, y cuyo aumento y oxidación a consecuencia de la irradiación conduce al oscurecimiento o bronceado. Con arreglo al contenido en melanina y a la capacidad de defensa de la piel frente a las radiaciones solares, el dermatólogo norteamericano Fitzpatrick propuso las seis clases o fototipos de piel siguientes: Fototipo 1: corresponde a los individuos pelirrojos, de piel muy blanca, con pecas y ojos azules. Al sol se queman y no se broncean; suelen experimentar alergia al sol. Fototipo 2: son individuos de pelo pajizo, piel clara, pecas, ojos claros o pardos. Se queman con facilidad y se broncean poco. Fototipo 3: Razas caucásicas (norte y centroeuropeas) de pelo rubio, piel blanca intermedia. Primero se enrojecen y queman moderadamente, y luego se broncean. Fototipo 4: Razas mediterráneas y orientales, de pelo castaño y piel morena. Se queman poco y se pigmentan fácilmente. 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 291 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO Fototipo 5: Razas amerindias, hispanas, indostánicas, de pelo moreno y piel amarronada. Se queman raramente y se pigmentan con rapidez. Fototipo 6: Razas negras, con pelo y piel negros. Nunca se queman; suelen aumentar su pigmentación. En las radiaciones solares pueden distinguirse tres grupos: a) Radiaciones ultravioletas, de longitud de onda inferior a 400 nm. Forman la luz actínica o de mayor actividad química. b) Radiaciones visibles, de longitudes comprendidas entre los 400 y 750 nm. c) Radiaciones infrarrojas, entre 750 y 2.000 nm. Son ondas caloríficas. Por su parte, las radiaciones ultravioletas (a) pueden subdividirse según su efecto sobre los sistemas biológicos y teniendo en cuenta que efecto y longitud de onda están en relación inversa: a.1. Zona UV-A: integrada por radiaciones de 315-400 nm, causantes de la pigmentación de la piel al catalizar la oxidación de la tirosina en melanina; ésta absorbe las radiaciones inferiores a 300 nm, actuando de filtro protector. a.2. Zona UV-B: de 280-325 nm; que produce el eritema o enrojecimiento de la piel, y posterior pigmentación. a.3. Zona UV-C: entre 200-280, que produce lesiones fotoquímicas en los componentes celulares, con muerte de la célula epidérmica y destrucción de tejidos (quemaduras). a.4. Zona UV-V: de 200 a 10 nm, de gran capacidad actínica, pero que afortunadamente, como las UV-C, son absorbidas por el ozono atmosférico. Consecuentemente, los protectores de la piel que favorecen el bronceado son sustancias capaces de absorber las radiaciones de menos de 315 nm, de forma que sólo lleguen a la piel las UV-A. Sin embargo, tanto las UV-A como las radiaciones visibles son capaces de desarrollar procesos de fotosensibilización. En resumen, puede decirse que las radiaciones B producen daño de forma aguda (eritema, quemadura solar, etc.), aunque recibidas de forma crónica inducen cáncer de piel, mientras que las A originan lesiones a largo plazo como envejecimiento de la piel, alteraciones del sistema inmunitario y cánceres 291 cutáneos; de éstos cabe destacar el cáncer melanocítico de células basales (basotelioma), que es benigno, pues no produce metástasis, aunque debe extirparse para que no progrese en extensión y profundidad, y el melanoma, de células espinosas, que se difunde rápidamente y puede ser mortal. Entre las lámparas eléctricas, las normales de incandescencia apenas si emiten radiaciones UV; los tubos fluorescentes dan 3 % de UV-A y 0,3 % de UV-B, proporciones pequeñas pero que en largas exposiciones durante el trabajo pueden producir efectos en combinación con fotosensibilizantes y fotoalergenos. Las lámparas de cuarzo, empleadas para el bronceado, suelen emitir un 20 % de UV-A, 10 % de UV-B y 5 % de UVC, por lo que deben dosificarse con cuidado; en las lámparas de luz negra, el 95 % es UV-A. La psoriasis es una enfermedad de etiología no bien aclarada, que afecta principalmente a la piel, donde se manifiesta por la aparición de escamas grasas; se debe a excesiva proliferación de los queratinocitos, cuyo ciclo de vida es de unas 36 horas, frente a las 311 de las células epidérmicas normales; esta velocidad de regeneración provoca la continua descamación. Aún no existe un procedimiento terapéutico eficiente, pero es frecuente la aplicación del método PUVA, consistente en la administración de psoralenos, como el 8-metoxipsoraleno, y exposición local a luz ultravioleta A; se admite que el psoraleno se intercala entre las bases del ADN, mientras que la energía UV origina enlaces cruzados entre las bases de cadenas opuestas; con estas alteraciones del ADN se trata de evitar su replicación y la mitosis. Se ha demostrado (Stern, 1997) que 15 años después del tratamiento se encuentra aumentado el riesgo de padecer melanoma y cáncer de células escamosas. Los psoralenos son furanocumarinas presentes en gran número de plantas (umbeliferas, rotáceas, bergamota, etc.) La luz UV los activa al estado de triplete, el cual reacciona con el ADN en las bases de pirimidina, citosina y timidina, lo que provoca mutaciones o inhibición de la replicación y muerte celular. Como consecuencia de todo lo expuesto, cada vez son más rigurosas las reglamentaciones relativas al uso de lámparas ultravioleta para el bronceado artificial; así, dentro del plan de acciones de lucha contra el cáncer, adoptado por el Parlamento y el Consejo europeos en la Decisión 646/1996/ CE se incluyeron medidas dirigidas a evitar los 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 292 292 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL riesgos por tales radiaciones, que en España han sido transcritas por el Real Decreto 1002/2002, del Ministerio de Sanidad y Consumo. En este Decreto se prohíbe que los aparatos de bronceado emitan radiaciones de longitud de onda inferior a los 295 nm, y que utilicen estos aparatos los menores de 18 años, y recomienda que no los usen las mujeres embarazadas. Se obliga que los Centros de bronceado expongan al público suficiente información acerca de los daños irreversibles que las radiaciones UV pueden provocar sobre la piel (envejecimiento prematuro y cáncer de piel) y sobre los ojos (inflamación de la córnea y cataratas); y que estas radiaciones son especialmente peligrosas para las personas de piel muy blanca, las que se queman sin broncearse, las que hayan padecido cáncer de piel o posean antecedentes familiares de ello. Se establece que en la publicidad de los aparatos se incluya el siguiente mensaje: «Los rayos de los aparatos de bronceado UV pueden afectar a la piel y a los ojos. Estos efectos dependen de la natur aleza y de la intensidad de los rayos, así como de la sensibilidad de las per sonas». En ningún caso se podrá hacer referencia a efectos curativos, preventivos o beneficiosos para la salud, ni alusiones sobre la ausencia de riesgo. Además, se recomienda observar las siguientes precauciones: 1.ª Utilizar siempre gafas de protección. 2.ª Antes de la exposición, retirarse los cosméticos y no aplicarse ningún filtro solar. 3.ª No exponerse a las UV en periodos de tratamiento con medicamentos. 4.ª No exponerse al sol y al aparato en el mismo día. 5ª Entre las dos primeras exposiciones espaciar 48 horas. Con objeto de limitar el efecto de las radiaciones del sol se utilizan los llamados filtros o protectores solares que, de acuerdo a su modo de acción, se clasifican en físicos, químicos, mixtos y bioquímicos. Los filtros físicos reflejan la luz en sus espectros ultravioleta, visible e infrarrojo, por lo que se les ha denominado «pantalla» (en francés, ècran, en inglés sunblock), por suponerse que evitan tanto el eritema como el bronceado, ya que se considera que proporcionan mayor seguridad; suelen estar constituidos por productos inorgánicos como mica, calamina, óxido de hierro, óxido de cinc, dióxido de titanio, etc. Los filtros químicos absorben la energía de la radiación ultravioleta y la transforman en otra inocua; son moléculas orgánicas de estructura electrónica resonante, como los ácidos p-aminobenzoico (PABA), cinámico o sulfónico, y el alcanfor, activos frente a la UV-B, o como benzofenona, dibenzoilmetano, etc., que absorben las UV-A; se les considera cosméticos. Los filtros mixtos actúan por reflexión y por absorción, como los derivados del benzotriazol. Los llamados filtros biológicos o bioquímicos son sustancias captadoras de radicales libres, como las vitaminas A y E y, por tanto, antioxidantes. La capacidad protectora de los filtros solares, corresponde al tiempo en que se puede estar expuesto al sol sin riesgo de quemadura, y se expresa como factor de protección solar (FPS) o simplemente índice de protección (IP) en cuanto a su actividad frente a los UV-B, mientras que el índice PPD se refiere a la protección frente a los UV-A; un mayor valor del índice debe entenderse como superior protección, así por ejemplo, una persona de piel clara que normalmente se quema tras 10 minutos al sol, tardaría en quemarse 15 veces más ( 150 minutos) si se aplicase un protector con índice o factor de 15, siempre que no haya pasado más de tres horas ni que el individuo se haya lavado después de ponerse el filtro. Una normativa de la Unión Europea, en vigor desde el 10 de julio de 2007, ha prohibido las designaciones publicitarias de «pantalla total» y «protección total», por considerar que son inciertas, y especifica que el «factor de protección solar» (FPS) es una denominación incorrecta porque solo protege contra la quemadura por los rayos UV-B. Además, la citada normativa europea unifica y reduce la clasificación de los cosméticos protectores a las capacidades baja, media, alta y muy alta (entre los números 6 a 50), para tratar de simplificar las modalidades actuales. Existen varios métodos para la evaluación de estos índices, como el FDA, norteamericano, el DIN, alemán, el SAA, australiano y el COLIPA, europeo; en síntesis: FPS = dosis de UV que produce eritema, con protección dosis de UV que produce eritema, sin protección  07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 293 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO El ensayo debe realizarse al sol, y según el método COLIPA, para la protección deben aplicarse 2 mg de crema filtrante por cm2 de piel, cantidad realmente grande. Para determinar en el laboratorio la capacidad protectora de cremas y cosméticos se estudia el espectro de absorción UV de la sustancia, lo que permite descubrir la longitud para la que tiene máxima absorción. También se valora aplicando la sustancia en bandas horizontales sobre la espalda de varias personas, alternativamente a bandas sin tratamiento; se ilumina la espalda con lámpara UV bronceadora y se mide el tiempo hasta la aparición de eritema en ambos tipos de bandas. El cociente entre el tiempo de eritema en las bandas tratadas y el de las no tratadas nos da el coeficiente de Schulze, que significa mayor protección cuanto más alto sea. 293 ABSORCIÓN POR CUALQUIER VÍA SUSTANCIA FOTOSENSIBLE EXCITACIÓN MOLECULAR RADICALES LIBRES FOTOTOXICIDAD EXPOSICIÓN LUZ U.V. FOTOALERGIA Formación de Haptenos • Reacciones radicalarias • Oxidaciones • Peroxidacion lipídica Hapteno + Proteína • Lesiones en: Membranas Núcleos Antígeno Reacción Antig-Anticuerpo TIPO IV (Citotóxica) Reacciones de fotosensibilización Son reacciones cutáneas anormales que aparecen tras la exposición a la luz solar (concretamente de longitudes de onda comprendidas entre 320 y 400 mm, zona UV-A, distintas de las que producen «el golpe de calor»: 290-320 mm); se han llamado también dermatitis actínicas, aunque también las pueden originar otras radiaciones energéticas no luminosas, como los ultrasonidos. La reacción aparece sólo en las regiones expuestas a la luz a diferencia de algunas dermatitis por contacto que pueden presentarse más dispersas. Para que se produzcan las reacciones de fotosensibilización, la sustancia exógena ha de sufrir una fotoactivación, que puede producirse por dos mecanismos: a. El xenobiótico es activado por la luz y reacciona directamente (reacción fotoquímica) con una macromolécula biológica. b. El xenobiótico absorbe luz UV y eleva su grado de energía, que activa al oxígeno molecular y lo convierte en especies reactivas de oxígeno. Según esto, una vez activada la sustancia, esta puede originar dos clases diferentes de reacciones (Fig. 7.37): a) Fototoxicidad. Una sustancia exógena recibida por cualquier vía y localizada en la piel absorbe la radiación luminosa y libera radicales libres que MANCHAS DAÑO CELULAR Figura 7.37. Procesos de fotoalergia y fototoxicidad. lesionan las membranas y orgánulos celulares. Entre las sustancias fototóxicas destaca el antraceno, que produce disrupción de la membrana, y los psoralenos, que se unen al ADN. b) Fotoalergia. En presencia de la luz, el xenobiótico en la piel se transforma en un compuesto reactivo (electrófilo, radical libre) y antigénico; por ejemplo, la tetraclorosalicilanilida (TCSA) se deshalogena por acción de la luz, y se transforma en un hapteno que se une a las proteínas para formar el antígeno. Sustancias capaces de producir fotosensibilización A. Agentes fototóxicos a.1. Tras aplicación tópica Aceite de bergamota. Alquitrán, brea. Bencidamina. 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 294 294 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Cumarinas. Eosina. Fluoresceína. Psoralenos. a.2. Por vía sistémica Ácido nalidíxico. Antiinflamatorios no esteroideos. Diuréticos tiazídicos. Fenotiazinas. Griseofulvina. Quinidina. Quinina. Porfirinas. Psoralenos. Sulfonamidas. Sulfonilureas. Tetraciclinas. Tolbutamida. Vinclastina. B. Agentes fotoalérgicos b.1. Tras acción tópica Benzofenonas. Cinamatos. Clorhexidina. Hexaclorofeno. PABA y sus ésteres. Salicilanilidas. Sales de níquel y de cromo. b.2. Por vía sistémica Ciclamato. Difenhidramina. Estrógenos. Fenotiazinas. Quinidina. Sulfonamidas. Sulfonilureas. Tiazidas. Necrolisis tóxica epidérmica Consiste en una necrosis masiva de extensas zonas de la piel y las mucosas con afectación del sistema queratinizante, seguida de desprendimiento y denudación. Puede comenzar como un rash cutáneo-mucoso generalizado, con afectación palmar y plantar, pruriginoso, con fiebre persistente y disnea; se presenta eritema intenso que progresa a la epidermiolisis. Las complicaciones más frecuentes derivan de la deshidratación e hipoproteinemia, con insuficiencia renal (oliguria) por desequilibrio electrolítico, pero lo más grave, normalmente letal, consiste en infección generalizada (sepsis) y particularmente, la afectación pulmonar, por pérdida de epitelio, así como el colapso pulmonar a consecuencia de la aspiración de restos de descamación de la mucosa de las vías respiratorias; pueden producirse hemorragias digestivas masivas y embolismo pulmonar. Si el paciente sobrevive suelen quedar estenosis por cicatrices y úlceras en distintos órganos. La mortalidad es alta y la terapéutica exige cuidados intensivos, preferentemente en Unidades de Quemados. Se admite que se debe a un mecanismo inmunitario, del tipo de reacción citotóxica, mediado por anticuerpos frente a las células de Malphigio, y desencadenado por numerosos medicamentos, como anticonvulsivos (fenitoína, fenobarbital, carbamazepina), antibióticos (ampicilinas), sulfamidas (trimetroprima) antiinflamatorios no esteroideos (pirazolonas), derivados del oxicam, alopurinol, etc. Tiene un periodo de latencia de una a tres semanas, a menos que hubiera hipersensibilización previa, en que el plazo es más corto. Lupus eritematoso de origen tóxico Otra patología desencadenada por sustancias químicas es el lupus eritematoso diseminado (LED), enfermedad considerada como autoinmunitaria, pues se produce por una desviación de la respuesta inmunitaria, que promueve la fabricación de anticuerpos contra los constituyentes del propio individuo. Aparece fiebre (en el 80 % de los casos), anorexia, adelgazamiento, afectaciones cutáneas (erupción exantemática, bullas, ulceraciones en las mucosas conjuntivales, bucales, genitales, etc.) y frecuentes (95 %) manifestaciones articulares, del tipo de poliartritis, osteonecrosis y mialgias; afectaciones renales (nefropatías mesangiales y glomerulonefritis extramembranosas) y cardiacas (pericarditis, miocarditis y endocarditis). Este polimorfismo 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 295 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO Tabla 7.11. 295 Medicamentos implicados en la aparición de lupus (según Dubois). Antibióticos Anticonvulsivos Antihipertensivos Penicilina Mefenitoína Hidralalcina Tetraciclina Difenilhidantoína α−metildopa Sulfametoxipiridazina Trimetadiona L-Dopa Sulfadimetoxina Primidona Gaunoxán Griseofulvina Etosuximida Reserpina Carbamazepina Feniletilacetilurea Antituberculosos Fenotiazinas Diversos Isoniazida Clorpromazina D-Penicilamina PAS Perfenazina Quinidina Estreptomicina Perazina Oxifenisatina Tioridazina Fenilbutazona Metotrimeprazina Metiltiouracilo Prometazina Propiltiouracilo Procainamida Carbutamida Amoproxán Tolazamida Metisergida Antiomaline Anticonceptivos orales Sales de oro Ácido aminosalicílico semiológico suele hacer dificil el diagnóstico, complicado también porque la etiología es muy diversa, como consecuencia de respuestas anormales de los linfocitos a agresiones bacterianas, víricas o químicas. En la Tabla 7.11 se relacionan medicamentos que han aparecido implicados en la producción de lupus de origen tóxico; en estos casos no suelen encontrarse en el suero anticuerpos anti-ADN y a veces la enfermedad remite al interrumpir el contacto con el agente. PATOLOGÍAS TÓXICAS EN EL APARATO DIGESTIVO El aparato o sistema digestivo es el conjunto de órganos encargado de la digestión, formado por la cavidad bucal y glándulas salivares, faringe, esófago, estómago e intestino (que constituyen el tubo digestivo), y las glándulas anexas. El tubo o tracto digestivo presenta unas características anatómicas, histológicas y funcionales que condicionan el tipo de patologías que puede experimentar. Estas patologías son fundamentalmente causadas por contacto por sustancias cáusticas o corrosivas, pero también las hay por vía sistémica, que normalmente afectan a la inervación, a la vascularización y a las glándulas secretoras (Fig. 7.38). El tubo digestivo de un adulto, desde la boca al ano, tiene una longitud de aproximadamente 5 m; su superficie interna (luz del tubo) está cubierta de una membrana mucosa muy resistente a la abrasión, cuyas células, de gran actividad mitótica, se renuevan continuamente; esta capa contiene tejido conjuntivo y glándulas y está cubierta por una capa de músculo liso, que por sus contracciones obliga al alimento a desplazarse. Encima hay una capa de peritoneo, que cubre toda la cavidad abdominal y que en el estómago se transforma en la serosa; en el intestino grueso forma el mesenterio, por cuyos 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 296 296 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL Figura 7.38. Aparato digestivo. pliegues discurren los vasos sanguíneos y linfáticos y los nervios. En la superficie interna existen las vellosidades intestinales cuyos vasos recogen las sustancias para llevarlas al hígado a través de la vena porta; los vasos linfáticos, con gran contenido graso, concluyen en el conducto torácico que termina en la vena cava superior. Aunque se trate de estructuras anatómicas internas, están expuestas a acciones tóxicas por contacto, al igual que la piel. Cuando se bebe un líquido cáustico éste lesiona primero la boca, la faringe y el esófago, particularmente en los tres estrechamientos fisiológicos que este último posee; (el primero, en la garganta, detrás del cartílago cricoides, el segundo, al cru- zarse con el cayado de la aorta, y el tercero al atravesar el diafragma; a veces se aprecia otro, después del segundo, en el cruce con el bronquio izquierdo); el estómago está más protegido por las secreciones de moco, que le defienden habitualmente de las secreciones digestivas (ácido clorhídrico y pepsina), además de su gruesa capa mucosa; el componente ácido protege relativamente al estómago de los álcalis. El epitelio escamoso del esófago le defiende bastante de los ácidos, hasta la curvatura prepilórica donde producen la necrosis coagulativa; además, los ácidos que pasen a vía sistémica originan acidosis metabólica, hemolisis, fallo renal y, algunos de ellos, secuestro de calcio. Los álcalis con pH superior a 11 producen ulceración y con 12,5 originan necrosis esofágica en pocos segundos, y su perforación, que requiere tratamiento quirúrgico. El paso del estómago al duodeno es controlado por el píloro, esfinter que se abre o cierra por impulsos nerviosos y hormonales que dependen del grado de digestión o trituración del contenido gástrico, distensión de estómago y duodeno, acidez en éste, etc. Los movimientos gastrointestinales están ordenados por el sistema vegetativo (simpático y parasimpático). La estimulación del simpático puede bloquear los movimientos impulsados por el sistema parasimpático. Las sustancias que enlentecen el tránsito gastrointestinal permiten mayor absorción de ellas o de otros xenobióticos presentes o bien una mayor lesión local. Las sustancias que alteran el sistema neurovegetativo modifican, lógicamente, las funciones glandulares, aumentando o disminuyendo las correspondientes secreciones. La irritación de la mucosa y la distensión de las paredes de la porción superior del tubo gastrointestinal (GI) estimulan el centro del vómito, en el bulbo raquídeo, y provocan el reflejo emético, aunque algunas especies (roedores y conejo) carecen del mismo; por su parte, los mismos estímulos en la porción inferior GI provocan la evacuación por vía rectal, frecuentemente acuosa (diarrea) e incluso sanguinolenta. Este mecanismo es el realizado por las toxinas de bacterias de procedencia alimentaria. La ingestión de sustancias cáusticas puede lesionar una o varias capas de la pared del tubo GI y ocasionar incluso perforación del esófago y del 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 297 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO estómago, pero frecuentemente en el líquido recuperado no se detecta un pH alarmante, porque ha sido neutralizado por los constituyentes tisulares y la capacidad tampón de éstos, a menos que la absorción fuera de gran cantidad de tóxico. Las baterías o pilas eléctricas pequeñas o de «botón» están produciendo, especialmente en niños, graves lesiones intestinales por ingestión, ya que una vez en intestino suelen abrirse y liberar hidróxido sódico o potásico. La citada perforación y el vertido cáustico al peritoneo produce una peritonitis química, que da lugar a trastornos neurovegetativos, vasomotores y de desequilibrio electrolítico que pueden llevar a shock y la muerte. También es grave la pérdida de electrólitos, líquido y proteínas, a causa de los vómitos y diarreas reiteradas, por conducir a hipovolemia, hipotensión e insuficiencia cardiocirculatoria. Las mucosas del tubo GI están dotadas de una gran capacidad metabólica, y realizan una «biotransformación de primer paso», que o bien disminuye la biodisponibilidad de muchos xenobióticos o bien aumentan o modifican la toxicidad de éstos, lo que da lugar a lesiones locales; las bacterias del contenido del tracto GI también realizan biotransformaciones, incluyendo las conocidas como de «tercer paso» que permite la liberación de tóxicos de sus conjugados, ya en vía de excreción por las heces, y su reabsorción a la sangre, originando el ciclo enterohepático. PATOLOGÍAS TÓXICAS DE LAS GÓNADAS Y DE LA FUNCIÓN SEXUAL Hoy se sabe que el sexo genético de un embrión es determinado por la expresión del gen SRY del cromosoma Y, que dirige la diferenciación de las gónadas indiferenciadas en testículos productores de testosterona, cuya síntesis comienza en el hombre el día 65 de gestación, y que provoca la diferenciación de los genitales internos y externos. Las gónadas, testículos y ovario, al ser constituyentes del eje neuroendocrino córtico-hipotalámico-hipófiso-gonadal, pueden experimentar alteraciones patológicas por afectación de dicho eje a cualquier nivel (Fig. 7.39). 297 Figura 7.39. Eje córtico-hipófiso-gonadal. En todos los animales el Sistema Límbico y, en particular en los seres humanos la participación de la corteza cerebral y, a través de ella, de los estímulos ambientales y de la mente (memoria e imaginación), influyen poderosamente en el resto de los constituyentes del citado eje. El hipotálamo secreta de forma pulsátil, intermitente, la hormona liberadora de gonadotropinas (LHRH o GmRH) que induce en la hipófisis la liberación de la hormona estimulante del folículo (FSH), la luteínica (LH) y la estimulante de las células intersticiales (ICSH). Recordemos que el testículo tiene una doble función y que actúa por influjo de las hormonas hipofisarias estimulante de las células intersticiales (ICSH) y estimulante del folículo (FSH), como glándula endocrina y exocrina. Como glándula endodrina produce una secreción interna u hormonal, constituida por los andrógenos (fundamentalmente testosterona), más algunos estrógenos, formada en las células intersticiales de Leydig bajo la acción de la ICSH. Como glándula de secreción externa produce los espermatozoides, que se desarrollan a partir de las células espermatogénicas, (las espermatogonias) que se alojan en las criptas 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 298 298 TOXICOLOGÍA FUNDAMENTAL que forman las células de Sertoli del epitelio de los tubos seminíferos, y bajo el estimulo de la FSH. Estos confluyen en la superficie del testículo para formar unos tubos espirales, el epidídimo, donde se almacenan y maduran los espermatozoides, que por los conductos deferentes van hasta la próstata. Allí reciben nuevas secreciones para formar el semen. En la estimulación sexual se produce la erección del pene por aflujo de sangre al tejido esponjoso, y la eyaculación por contracciones rítmicas, de origen reflejo, del músculo liso del conducto seminal y de la uretra. Cada eyaculación puede emitir de 3 a 5 m1 de semen y contener de 300 a 500 millones de espermatozoides. La complejidad del proceso permite que numerosos tóxicos puedan alterarlo a muy distintos niveles. Diversos psicofármacos (anfetamina, reserpina, benzodiazepínicos, fenotiazinas, sulpiride, etc.) pueden afectar la espermiogénesis a través de su acción sobre la hipófisis, así como la libido y la potencia sexual; en general, los psicoestimulantes, aunque pueden originar un incremento inicial, producen después un déficit por agotamiento o por establecer dependencia. Varios esteroides pueden competir con la FSH y alterar la espermatogénesis; la testosterona es transtornada en el hígado a 5-α-dehidrotestosterona mucho más activa, por la enzima α-reductasa, que puede ser inhibida por diversos xenobióticos, con lo que disminuye la acción de la primera hormona, responsable de la diferenciación sexual masculina en el desarrollo embrionario y de la aparición de los caracteres sexuales secundarios y, posteriormente, de la función sexual. Por otra parte, la absorción crónica de tóxicos puede conducir a la insuficiencia hepática, como consecuencia de la cual no se metabolizan apropiadamente los estrógenos, y se altera el cociente fisiológico andrógenos/estrógenos; esto puede originar la feminización del individuo. Numerosos compuestos orgánicos lesionan las espermátidas o impiden su maduración; esto ocurre con los ésteres del ácido metanosulfónico (busulfán, etc.) nitroderivados aromáticos, imidazoles, derivados de la urea, plaguicidas organoclorados, ésteres glicidílicos, etc. Los agentes alquilantes pueden reaccionar con el ADN y el ARN, interfiriendo el proceso de reproducción celular y la síntesis de proteínas. Entre ellos, se ha visto que los agentes antineoplásicos, tipo procarbazina y fosforamidas, pueden causar esterilidad. Estos y otros compuestos actúan en diferentes etapas de la espermiogénesis, así: — Los estadios de espermatogonia y espermatocito son afectados por antibióticos como la adriamicina y por la 6-mercaptopurina, que se intercalan en los pares de bases de los ácidos nucleicos. El cloranfenicol se biotransforma en una etilendiamina que interfiere el mecanismo respiratorio del espermatocito, y causa azoospermia irreversible. Los nitrofuranos y tiofenos inhiben igualmente la glucolisis y el sistema citocromo. — Las espermatogonias A son destruidas por alquilsulfatos tipo busulfán. — Las espermátidas y los espermatozoides testiculares son lesionados por metil-metano sulfonatos y etileneiminas. El nematocida dibromocloropropano (DBCP) produjo una epidemia de infertilidad que afectó a 1.500 agricultores de Costa Rica, pues lesiona directamente los tubos seminíferos. Los ésteres del ácido o-ftálico, presentes en muchos plásticos, lesionan las células de Sertoli, y también producen infertilidad. Sin embargo, tales compuestos no afectan a los espermatozoides maduros. La maduración de los espermatozoides en el epidídimo es andrógeno-dependiente. Los antiandrógenos (ciproterona, espironolactona, finasterida, etc.) inhiben competitivamente y de forma irreversible los receptores de los andrógenos; a altas dosis impiden la espermiogénesis, pero a bajas dosis trastornan la maduración y el almacenamiento de los espermios y los hace infértiles. Algunos esteroides actúan como antiandrógenos y bloquean el receptor de testosterona; esto hacen los estrógenos y la progesterona que, además, alteran la liberación hipofisaria de gonadotropinas. La maduración también se altera por derivados clorados de la glicerina (alfa-clorhidrina) que interfiere específicamente la glucolisis en el espermio, y lo inmoviliza, al parecer porque inhibe competitivamente a la gliceroquinasa. El gosipol, extraído de la semilla de algodón y ensayado como anticonceptivo masculino, lesiona la ultraestructura de la mitocondria e inhibe a la 07 toxicologia alim 24/11/08 14:10 Página 299 PROCESOS FISIOPATOLÓGICOS DE ORIGEN TÓXICO LDH en los espermatozoides, inmovilizándolos en el epidídimo y a los eyaculados. También son inmovilizadores, por diferentes mecanismos, las sulfapirinas y la sulfasalazina (usada en la colitis ulcerosa). En ocasiones se observan efectos paradójicos, según que las acciones sean directas a los tejidos diana o que sean por retroacción a través del hipótálamo o la hipófisis; así la testosterona en pequeñas dosis repetidas paraliza la espermatogénesis, mientras que altas dosis aisladas la estimula. Por su parte, los derivados de la hidrazina deprimen la función de la hipófisis; el clomifeno altera la secreción de FSH e inhibe el desarrollo testicular. Durante la eyaculación se mezclan diferentes secreciones de varias glándulas accesorias y estos fluidos pueden aportar distintos tóxicos. Por ejemplo, a través de la secreción prostática se transfieren antibióticos y etanol; la talidomida y las tetraciclinas pasan del líquido seminal al espermatozoide. Numerosas sustancias que afectan al sistema nervioso, alteran también las funciones endocrinas y sexuales, así como la libido; los sedantes, betabloqueantes, antidepresivos tricíclicos, etc., disminuyen la libido y trastornan la eyaculación; a través de acciones anticolinérgicas bloquean la inervación de las glándulas accesorias y la erección, en ambos sexos. Entre los metales, se ha comprobado, en estudios realizados con trabajadores, que el cadmio produce lesiones en el endotelio de los capilares y en el epitelio seminífero y en las células de Leydig, y conduce a isquemia y degeneración testicular. En la experimentación con animales se ha visto que la administración de anfetaminas hace aparecer a los 21 días una alteración de la espermiogénesis derivada de una hiperfunción generalizada, que incluye a la glándula pineal. Se admite la inducción de un desarreglo endocrino que conduce a inviabilidad de los espermatozoides y a déficit de testosterona, lo cual explica la impotencia, más o menos transitoria, que afecta a los adictos a la anfetamina. El estudio histoquímico del testículo muestra alteraciones celulares y depósitos de melanina. El medicamento sildenafilo (Viagra®), utilizado por hombres con dificultades para la erección no está exento de riesgos. Por tratarse de una sustancia que actúa por la vía del óxido nítrico, es decir es un vasodilatador, puede agravar la insuficiencia cardiaca grave y provocar angina de pecho en indi- 299 viduos con aquella patología y en los que están recibiendo vasodilatadores coronarios o hipotensores; por un efecto calificable como paradójico también puede originar hipertensión, infarto de miocardio con «muerte cardiaca súbita» y hemorragia cerebral. Por otra parte, potencia el efecto antiagregante plaquetario del nitroprusiato, facilitando la aparición de hemorragia cerebral. También es un inhibidor débil de varias isoformas del citocromo P-450, por lo que puede reducir la capacidad de biotransformación y eliminación de xenobióticos. En las hembras, la acción de los agentes químicos no es de menor importancia. Su principal órgano diana es el ovario, reservorio de los óvulos y secretor de los esteroides que regulan el ciclo estral, menstrual en la mujer. La fisiología del ovario incluye el desarrollo de los folículos, ovulación, formación del cuerpo lúteo y producción de los esteroides ( el estrógeno, regulador del ciclo, y la progesterona, facilitador de la anidación del huevo tras la fecundación); todos estos pasos generan numerosos cambios bioquímicos, morfológicos e incluso psicológicos en la hembra, pero están expuestos a las influencias de muy diversas sustancias químicas, tanto endobióticas como xenobióticas, que se pueden manifestar como efectos tóxicos tanto durante los procesos reproductivos como en el posterior desarrollo de un nuevo ser. Desde la época fetal cada ovario contiene unos 200.000 folículos (óvulos inmaduros rodeados de varias capas de células) que, a partir de la pubertad, van madurando por influencia de las gonadotropinas hipofisarias (FSH, LH). La FSH, hormona estimulante del folículo, cuya concentración varía a lo largo del ciclo menstrual, hace que un folículo madure y acabe por abrirse y liberar al oocito (óvulo) por efecto de un incremento de LH (hormona luteínica); las células internas del folículo secretan estrógenos (del griego estro, calor), principalmente 17-β-estradiol, que entre otras acciones favorecerá la proliferación del endometrio (mucosa uterina), Las capas del revestimiento folicula