Fundamentos de la Toxicología

Objetivos

• Familiarizarse con la terminología toxicológica, especialmente la relacionada con la seguridad de las sustancias
• Identificar los diferentes tipos de curvas dosis-respuesta de las sustancias tóxicas
• Interpretar las características de potencia y toxicidad potencial de los tóxicos gráficamente
• Comprender los factores que influyen en la toxicidad de las sustancias

Introducción a la Toxicología

• La intensidad de la respuesta biológica es generalmente proporcional a la dosis de la sustancia administrada
• La dosis es la cantidad de sustancia administrada al organismo
• La relación dosis-respuesta asume una relación causa-efecto entre la exposición a un tóxico y la magnitud de la respuesta
• La toxicidad es directamente proporcional a la dosis, pero otros factores también son importantes
  • Tipo de respuesta seleccionada para cuantificar
  • Organismo biológico en el que se experimenta
  • Duración y vía de administración del xenobiótico

Relación Dosis-Respuesta

• La relación dosis-respuesta describe la correlación entre la dosis y la incidencia de efectos adversos en una población

• Muestra el porcentaje de individuos que presentan un efecto determinado en relación a la dosis

• La mayoría de las respuestas a un tóxico son similares en una población, pero puede haber variabilidad

• Algunos individuos pueden ser resistentes, otros sensibles

• La respuesta a una misma dosis puede variar de mínima a máxima dependiendo de la resistencia o sensibilidad individual

• Generalmente, la respuesta a una dosis en una población se expresa como la media ± una desviación estándar (67-68% de las respuestas individuales)

• Una variación de la media ± dos veces la desviación estándar abarca el 95% de las respuestas

• Mayor desviación estándar indica mayor variabilidad en las respuestas

• Representar el aumento del número de individuos afectados al aumentar la dosis resulta en una curva dosis-efecto a nivel del organismo, célula, o molécula diana

• La excepción son efectos tóxicos como la muerte o el cáncer, que son "de todo o nada" sin grados intermedios

• El establecimiento de las relaciones dosis-efecto y dosis-respuesta es esencial en toxicología

• Estos estudios epidemiológicos utilizan como criterio la proporcionalidad entre la dosis y el efecto para aceptar una relación causal entre un agente y una enfermedad

• Las extrapolaciones son estimaciones teóricas de toxicidad obtenidas al trasladar datos entre especies diferentes

• Otra forma es trasladar datos de dosis-respuesta a zonas sin datos, usualmente extrapolando datos de dosis altas

• Normalmente tienen que hacerse extrapolaciones para predecir las respuestas tóxicas fuera del intervalo de observación

• Los modelos matemáticos para extrapolaciones se basan en el comportamiento de la sustancia en el organismo o en probabilidades estadísticas de hechos biológicos

• Los modelos complejos de extrapolación se formalizan para predecir riesgos con fines de regulación

• Al utilizar un gran número de dosis y animales por dosis, se obtiene una curva dosis-respuesta sigmoidea

• Esta curva se aproxima a una respuesta del 0% al disminuir la dosis y al 100% al aumentarla

• Existe la "dosis umbral", por debajo de la cual la probabilidad de una respuesta tóxica es nula

• El umbral para un efecto tóxico ocurre cuando se sobrepasa la capacidad del organismo para desintoxicar o reparar el daño

• Los órganos tienen reservas funcionales, por lo que la pérdida de función no siempre reduce la eficiencia

• Por ejemplo, la cirrosis hepática puede no causar efectos clínicos hasta que el 50% del órgano esté reemplazado por tejido fibroso

• En una curva hipotética, no se observa toxicidad con dosis menores a 10mg (NOAEL), pero la DL50 se obtiene con 22-23mg

• A dosis de 30mg, el 100% de los individuos sufren efectos tóxicos

• El NOEL (NOAEL) es el nivel sin efecto adverso observado, o la dosis más alta que no produce efecto tóxico

• Para establecer un NOEL se necesitan múltiples dosis, una población amplia e información complementaria

• Esto es para garantizar que la ausencia de respuesta no sea un mero fenómeno estadístico

• El LOEL es la mínima dosis efectiva observada en una curva de dosis-respuesta, o sea, la dosis mínima que produce un efecto

• Se debe conocer la forma y pendiente de la curva de dosis-respuesta para predecir la toxicidad a niveles específicos de dosis

• La pendiente varía según la sustancia y el tipo de efecto

• Algunas sustancias con efectos específicos podrían tener una curva lineal desde la dosis cero en un intervalo determinado

• • Esto significaría que no hay umbral y cualquier dosis representa un riesgo

Estimaciones a partir de curvas D-R

• Para comparar los efectos tóxicos de dos sustancias, es necesario determinar sus curvas dosis-respuesta

• En la figura 4, el compuesto A es más potente que el B debido a su posición en el eje de abscisas (dosis)

• La potencia se refiere al rango de dosis al cual un tóxico produce mayores respuestas

• C es más potente que D

• La máxima eficacia refleja el límite de la curva dosis-respuesta en el eje de ordenadas

• A y B tienen la misma eficacia, pero la máxima eficacia de C es menor que la de D

• Siguiendo a Paracelso, una sustancia puede ser dañina en una dosis pero benéfica en otra

• Se define entonces el índice terapéutico

• Paul Enrlich introdujo este concepto en 1913, requiriendo un estudio de dosis-respuesta doble para calcularlo

• El estudio debe obtener la curva de efecto tóxico o letal y la del efecto benéfico

• En la Figura 5, se requiere determinar el índice terapéutico (IT)

• El índice terapéutico (IT) se definió para la comparación entre sustancias con actividad biológica deseada

• El concepto se puede extrapolar a cualquier área donde se desee comparar la toxicidad entre dos sustancias químicas

• En alimentos, es importante distinguir el efecto benéfico de un aditivo respecto a un potencial daño por su ingesta

• El IT se define como la relación o cociente entre las dosis tóxica o letal sobre la dosis deseada o benéfica (terapéutica)

• DL50 es la dosis letal media del agente xenobiótico, y DE50 es la dosis efectiva media del mismo agente

• Cuanto mayor sea el IT para una sustancia, menor será su riesgo de uso

• Si el IT es bajo, la dosis es crítica y la biodisponibilidad afecta el efecto terapéutico

• El concepto de IT entiende DL50 como la dosis que produce una mortalidad del 50% en animales

• A mayor DL50, menor toxicidad aguda

• Una sustancia química muy tóxica es una sustancia potente

• DE50 es la dosis que produce un efecto específico pero no letal en el 50% de los animales

• El índice terapéutico se usa para comparar sustancias: un valor mayor indica menor riesgo y mayor separación entre efectos tóxicos y benéficos

• Cuando se trabaja con sustancias muy tóxicas, es conveniente manejar el Margen de Seguridad (MS)

• El MS compara el comportamiento de las curvas de toxicidad y del efecto benéfico

• Para obtener el MS, se necesita determinar la dosis efectiva 99 (DE99) y la dosis no deseable o tóxica 1 (DT1 o DL1)

• DL1 es la dosis letal para el 1% de la población de ensayo

• DE99 es la dosis benéfica o terapéutica para el 99% de la población de ensayo

• El margen de seguridad será más grande cuanto mayor sea la distancia o intervalo entre las dos curvas

• Este parámetro tiene poco interés cuando la sustancia carece de efectos beneficiosos y la exposición es continuada

• Un factor de seguridad es un número convencional arbitrario por el que se divide el NOEL o el LOEL para establecer una dosis permisible provisional en humanos

• Se suele usar en la toxicología alimentaria y a veces en la toxicología laboral

• Se usa también para extrapolar datos obtenidos en poblaciones pequeñas a poblaciones mayores

• Los factores de seguridad van de 10° a 103

• Un factor de seguridad de 2 puede ser suficiente contra efectos menos graves (irritación)

• Para efectos muy graves (cáncer) se puede utilizar hasta un factor de 1.000

• Es conveniente sustituir la expresión factor de seguridad por factor de protección o incluso por factor de incertidumbre

• Esto refleja mejor las incertidumbres científicas: datos de dosis-respuesta trasladados de animales a humanos

• La presencia de sustancias tóxicas en alimentos, agua y aire es prácticamente inevitable

• Por lo tanto, es necesario fijar límites basados en los índices de toxicidad para garantizar la salud humana y de otros organismos

• Estos límites permisibles son la base para la evaluación del riesgo de las sustancias tóxicas

• Estos límites permisibles varían en las diferentes ramas de la toxicología y en su nomenclatura según el organismo internacional que los fija

• En toxicología alimentaria, el criterio básico es la IDA (Ingesta Diaria Admisible), también conocida como DDA, fijada por la OMS

• También existe el límite máximo de residuos (LMR) marcado por la EFSA

• La INGESTA DIARIA ADMISIBLE (IDA) es la cantidad de una sustancia química expresada en mg/Kg de peso corporal que puede ser ingerida diariamente sin riesgo

• Se obtiene experimentalmente en animales en base al valor NOAEL

• El LIMITE DE TOLERANCIA O LIMITE MAXIMO DE RESIDUOS (LMR) es la cantidad máxima de una sustancia química expresada en mg/kg de alimento que éste puede contener sin que implique un riesgo para la salud

• LMR = IDA x Peso corporal /Peso alimento

Ejemplo de establecimiento de un IDA para un producto tóxico

• El producto tóxico se administra a ratas (especie sensible) de 200 gr que consumen 15 gr de pienso al día
• La dosis más baja sin efectos adversos es de 100 mg por kg de pienso
• El NOAEL será de 7.5 mg/kg/día del producto tóxico
• Al extrapolar a humanos, el IDA será ese valor dividido por 100
• Considerando un peso medio humano de 60 kg y una dieta de 250 gr/día, se obtiene un LMR de 18 mg del producto tóxico por kg de alimento

El Fenómeno Tóxico

• La toxicidad depende de la dosis

• La concentración de un compuesto en el lugar de acción suele ser proporcional a la dosis

• Las diferencias en la cinética de los compuestos pueden llevar a concentraciones diferentes en un órgano

• La toxicidad es un fenómeno complejo con varias fases que producen efectos perjudiciales

• Tres fases en el proceso de penetración de un tóxico:

  • Fase de exposición
  • Fase toxicocinética
  • Fase toxicodinámica

• La fase de exposición implica riesgo, ya que el tóxico está en el medio que rodea al organismo

• En esta fase, el tóxico puede ser absorbido

• Esto incluye los procesos entre diversos tóxicos y factores ambientales

• La fase toxicocinética se corresponde con el movimiento del tóxico en el organismo

• Incluye la absorción, transporte, distribución, acumulación, biotransformación y eliminación

• La fase toxicodinámica se refiere a la interacción de los tóxicos con lugares de acción específicos en las células

• El resultado final es un efecto tóxico

Clasificación de los Agentes Tóxicos

• Por estado físico: sólidos, líquidos y gaseosos
• Por órgano diana: neurotóxico, cardiotóxico, hepatotóxico, nefrotóxico
• Por lugar de acción: local o sistémico

Clasificación de las Intoxicaciones

• Por etiología:
  • Accidentales: ambientales, profesionales, medicamentosas, alimentarias, domésticas
  • Voluntarias: suicidio, dopaje, afrodisíacos
• Por tiempo de exposición:
  • Aguda: Aparición inmediata tras una dosis, puede ser letal
  • Crónica: Absorción repetida, acumulación en un órgano
  • Subcrónica: Exposición repetida menor al 10% de la vida media de la especie

Fase Toxicodinámica - Efecto Tóxico

• Cualquier desviación del funcionamiento normal del organismo producida por la exposición a sustancias tóxicas se conoce como EFECTO TÓXICO
• Se consideran sólo desviaciones significativas como cambios irreversibles o prolongados
• La variación en la relación de masa hepática/masa corporal es una respuesta tóxica que persiste semanas después de la exposición
• Para tener un efecto tóxico, debe haber interacción entre el compuesto y el organismo biológico
• El desarrollo de esta interacción requiere:
  • Contacto físico entre sustancias reaccionantes
  • Solubilidad en los fluidos
  • Eliminación de los productos de reacción
• Todo ser viviente está protegido por barreras (membranas)
• Para una reacción, el compuesto debe ser transportado del exterior al interior
• El transporte implica exposición a órganos como riñón, hígado, glándulas sudoríparas
• Durante el transporte, el compuesto puede ser biotransformado, depositado o llegar a un sitio específico causando alteraciones
• Ejemplos de transportes: aflatoxina, sacarina, plomo, safrol
• Al estudiar las rutas de un tóxico ingerido, se considera su distribución a través del Ciclo Entero Hepático

Tipos de Efectos Tóxicos:

• LOCALES o SISTÉMICOS:
• El efecto LOCAL ocurre en el lugar del primer contacto (quemaduras por ácidos)
• El efecto SISTÉMICO requiere absorción y distribución a un lugar distante
• La mayoría de los agentes químicos producen efectos sistémicos y también locales
• La toxicidad sistémica no es igual para todos los órganos
• El órgano donde el efecto es mayor se considera el órgano blanco
• El DDT se acumula en el tejido adiposo, pero sus efectos tóxicos se manifiestan en el hígado y el riñón
• INMEDIATOS o RETARDADOS:
• INMEDIATA: Rápidamente tras una administración
• RETARDADA: Tras un lapso de tiempo
• REVERSIBLES o IRREVERSIBLES:
• Un efecto es reversible o irreversible según la capacidad de regeneración del tejido
• El hígado se regenera fácilmente
• La cirrosis hepática irreversible puede ocurrir por tetracloruro de carbono
• El sistema nervioso central no se regenera

Efectos tóxicos que se pueden producir:

• Inflamación: respuesta local o sistémica
• Necrosis: muerte celular
• Inhibición enzimática: interrupción de una vía bioquímica
• Peroxidación lipídica: Oxidación de radicales libres que lleva a la muerte celular
• Reacciones inmunes de hipersensibilidad
• Inmuno-supresión: puede producir neoplasias y divisiones celulares aberrantes
• Toxicidad reproductiva y en el desarrollo
• Interacción genotóxicas: interacciones químicas con el DNA que llevan a un cambio hereditario

Factores que modifican la toxicidad de los agentes tóxicos

• Además de los efectos esperados, hay que considerar los efectos no esperados
• La estructura química determina la actividad biológica de un compuesto, pero varios factores pueden modificar la toxicidad
• Estos factores dependen de la intensidad de la reacción tóxica y de otros aspectos que influyen sobre la toxicidad

Intensidad de la reacción tóxica

• La dosis es crítica para determinar si el tóxico producirá efectos crónicos o agudos
• A mayor dosis, más severa es la respuesta
• La respuesta está condicionada por la concentración del tóxico en el blanco
• Cualquier sustancia puede ser nociva en cantidad suficiente
• La capacidad del tóxico para atravesar las membranas es esencial
• Un compuesto debe atravesar membranas semipermeables con estructura lipoproteínica
• Esta estructura consiste en una doble capa de fosfolípidos con cabezas polares en los extremos y cadenas hidrocarbonadas hidrofóbicas enfrentadas
• También tiene proteínas periféricas e integrales que están embebidas en la matriz lipídica
• Estas proteínas actúan como receptores, transportadores, canales o bombas
• La membrana es hidrófoba y liposoluble, fácilmente penetrable por sustancias lipídicas y difícilmente por sustancias hidrosolubles
• La forma ionizada o no ionizada de un compuesto determina si atraviesa o no la membrana
• La ionización depende del pH y del pK de la sustancia

Factores que influyen sobre la toxicidad

• Factores dependientes del medio ambiente (exógenos o físicos):
  • Condiciones climáticas y meteorológicas: influyen en la toxicocinética
  • Actividad lumínica: acción química de la luz (actinismo)
  • Temperatura ambiental: afecta la velocidad de reacciones y vasodilatación cutánea
  • Presión atmosférica: influye en la absorción de gases
• Factores propios del individuo (endógenos o biológicos):
  • Especie: algunas especies son más resistentes a ciertos tóxicos
  • Raza: la raza negra es más resistente a la mayoría de los venenos
  • Sexo: las hormonas sexuales influyen en el metabolismo de los tóxicos
  • Edad: tanto edades tempranas como avanzadas son más sensibles a la toxicidad
  • Estado de salud: insuficiencias hepáticas o renales aumentan la vida media del tóxico
  • Estado nutricional: dietas bajas en proteínas pueden disminuir la albúmina plasmática
  • Situación psicosocial: la predisposición psíquica influye en la reacción ante los tóxicos
• Factores relacionados con las condiciones de administración del tóxico:
  • Vía de absorción: intravenosa > respiratoria > rectal > digestiva > cutánea
  • Concentración del tóxico y dosis administrada: a mayor concentración y dosis, mayor toxicidad
  • Velocidad de administración: la absorción depende de la velocidad de administración
  • Coincidencia con otros tóxicos: la absorción casi simultánea de diferentes sustancias puede conducir a modificaciones toxicocinéticas

Resumen

• Un tóxico es cualquier sustancia capaz de provocar una respuesta nociva en un biosistema
• Casi todas las sustancias pueden causar lesiones o la muerte en cantidad suficiente
• Los agentes tóxicos se clasifican según los órganos que afectan, su uso, origen, efectos, estado físico, estabilidad, reactividad y estructura química
• Para que una sustancia sea tóxica, debe alcanzar una concentración suficiente en el lugar apropiado del cuerpo durante un tiempo adecuado
• La respuesta tóxica depende de las características químicas y físicas de la sustancia, el lugar de exposición, la metabolización y la sensibilidad del organismo
• Las características de la exposición y los efectos producidos se relacionan en una relación dosis-respuesta
• La relación entre el grado de respuesta del sistema biológico y la cantidad de sustancia tóxica administrada es constante y se considera el concepto más importante de la toxicología
• Las relaciones dosis-respuesta permiten establecer una relación causa-efecto y determinar la magnitud de la respuesta en relación a la dosis