Principi di Tossicologia dello Sviluppo PDF

PRINCIPI DI TOSSICOLOGIA DELLO SVILUPPO La tossicologia dello sviluppo è lo studio degli effetti indesiderati sugli organismi in sviluppo che possono essere conseguenti all'esposizione ad agenti chimici o fisici prima del concepimento (per entrambi i genitori), durante lo sviluppo pre-natale o post...

PRINCIPI DI TOSSICOLOGIA DELLO SVILUPPO La tossicologia dello sviluppo è lo studio degli effetti indesiderati sugli organismi in sviluppo che possono essere conseguenti all'esposizione ad agenti chimici o fisici prima del concepimento (per entrambi i genitori), durante lo sviluppo pre-natale o post-natale fino alla pubertà. La teratologia è lo studio di difetti (morfologici) indotti durante lo sviluppo, tra il concepimento e la nascita. Principi generali di teratologia Wilson: la predisposizione alla teratogenesi dipende dal genotipo del nascituro e dal modo in cui questo interagisce con i fattori ambientali avversi; la predisposizione alla teratogenesi varia con lo stadio di sviluppo presente nel momento in cui è esposto a un evento avverso; gli agenti teratogeni agiscono in modo specifico (meccanismi) sulle cellule e tessuti in via di sviluppo nell'avviare eventi di sviluppo anormale; la possibilità di indurre o meno un evento avverso sui tessuti in via di sviluppo dipende dalla natura dell'evento stesso; le 4 manifestazioni di uno sviluppo anormale sono morte, malformazione, ritardo crescita e deficit funzionale; le manifestazioni di uno sviluppo anormale aumentano sia di frequenza sia di grado con l'aumentare della dose, partendo da nessun effetto ad un livello del tutto letale. Lo sviluppo dell'embrione umano è molto sensibile all'azione dell'ambiente, i rapidi cambiamenti che si verificano durante lo sviluppo determinano e modificano la natura di embrione/feto quale bersaglio di tossicità. Lo sviluppo è caratterizzato da cambiamenti guidati da una cascata di fattori che regolano la trascrizione genetica, le vie di segnalazione intracellulare e intercellulare essenziali per il normale sviluppo si basano su controlli trascrizionale, tradizionali e post-tradizionali. Il processo riproduttivo è un evento ciclico finalizzato alla continuazione della specie, ciascun ciclo riproduttivo è caratterizzato da una serie di eventi in sequenza che portano alla formazione di un nuovo individuo a sua volta è in grado di ricominciare il ciclo. Tutte le fasi del ciclo riproduttivo possono essere altamente sensibili agli effetti di sostanze tossiche, le manifestazioni dipendono dal periodo di esposizione e dalla fase del ciclo in cui avviene l’esposizione, gli effetti possono essere diretti o indiretti sull’embrione/feto. La gametogenesi, 1° periodo critico di suscettibilità, è il processo di formazione di cellule germinali (spermatozoo e oocita) aploidi. tale fase può subire modificazioni a causa di effetti tossici ed è quindi considerata come una fase di tossicità dello sviluppo, un esempio è dato dalla talidomide e dall'alcol, i quali modificano i gameti non solo nella donna ma anche nell’uomo. Considerando la fertilità maschile, la fertilità non riguarda la tossicologia dello sviluppo ma può essere dovuta all'azione di tossici per un aumento di infertilità, diverse sostanze si sono dimostrati in grado di inibire la spermatogenesi attraverso un effetto diretto sull'epitelio seminifero o spermatozoi maturi. L'alcol etilico è un potente agente tossico per le cellule interstiziali del testicolo e il suo etto a lungo termine è quello di una vera e propria castrazione (etilisti cronici hanno alto tasso di sterilità). delle altre sostanze chimiche che alterano la fertilità maschile sono il piombo (oligospermia: riduzione concentrazione), solfuro di carbonio (impotenza, riduzione della libido, oligospermia) e 1,2-dicloro-3- bromopropano (impotenza, oligospermia, atrofia testicolare). I farmaci psicotropi e gli antistaminici possono ridurre le performance sessuali perché c'è esiste equilibrio tra SNA, SNC e sistema endocrino. 37 Considerando la fertilità femminile, alterazioni ormonali e irregolarità del ciclo sono attribuite ad esposizione a sostanze chimiche ambientali (solfuro di carbonio, piombo, cadmio, mercurio) e farmaci chemioterapici. Gli effetti tossici a livello ovarico possono essere diretti ed indiretti, anche i follicoli ormonalmente attivi e il corpo luteo possono essere oggetto di effetti tossici. La gonade femminile è un organo complesso che svolge anche funzioni endocrine, nelle primissime fasi della gravidanza le conseguenze sul nascituro dell'esposizione a un tossico sono adattamento (danno che non si manifesta) oppure l'aborto; nelle fasi successive il danno riguarda l’organogenesi. La fecondazione, 2° periodo critico di suscettibilità, i gameti si fondono per formare lo zigote diploide l’oocita si fonde con lo spermatozoo e questo rappresenta un momento di notevole vulnerabilità alle sostanze tossiche, sostanze che modificano la motilità degli spermatozoi possono influenzare tale fase. Il pre-impianto e formazione di blastocisti, 3° periodo critico di suscettibilità, l'embrione percorrere la tuba e si impianta nella parete dell’utero, la fase è caratterizzata da rapide divisioni cellulari e da uno scarso aumento delle dimensioni della blastocisti. Le sostanze che interferiscono con la sintesi/ integrità del DNA e con l'assemblaggio di microtubuli risultano essere estremamente tossici, in questa fase l'esposizione ad una sostanza tossica possono determinare diverse conseguenze. Delle sostanze che interferiscono con la contrazione della muscolatura liscia o il movimento delle ciglia dell'epitelio possono modificare la velocità di discesa dell'embrione lungo l’ovidotto; sostanze esogene si possono accumulare nell’ovidotto ed essere assorbite dall’embrione. L’impianto, 4° periodo critico di suscettibilità, è la fase in cui si impianta la blastocisti nella mucosa uterina, si ritiene che la principale causa di sterilità della donna sia da attribuirsi a problemi relativi all’ impianto della blastocisti, aborti precoci spontanei da esposizione professionale sembrano dovuti a problemi di impianto, gli xenobiotici che interferiscono con l’impianto della blastocisti sono solventi organici policlorurati, DDT, indometacina e amminoalcol. La granulazione, 5° periodo critico di suscettibilità, è la fase in cui si formano i 3 foglietti germinali primitivi ectoderma, mesoderma ed endoderma come preludio della fase successiva, anche questa fase è vulnerabile agli effetti tossici che si manifestano nel nascituro. Alcune sostanze chimiche che sono somministrate in questo periodo possono indurre malformazioni a carico dell'occhio, cervello o viso, tali malformazioni sono indicative di un danno alla piastra neurale anteriore che porta alla formazione dell'occhio, cervello e orecchio. L’organogenesi, 6° periodo critico di suscettibilità, inizia con la formazione della placca neurale e si sviluppano gli abbozzi degli organi (3-8 settimana di gestazione), i rapidi cambiamenti richiedono la proliferazione e la migrazione cellulare, l’interazione tra le cellule e il rimodellamento morfogenetico di tessuti. È un periodo di alta suscettibilità ai tossici che possono generare delle malformazioni poiché in tale fase si formano gli organi. Durante questa fase vi sono periodi di picco di sensibilità per ogni struttura in formazione, il picco di incidenza di ogni malformazione coincide con il periodo in cui si verificano eventi chiave nello sviluppo di tale struttura. I possibili teratogeni sono: Agenti biologici quali virus o microrganismi che infettano la madre (toxoplasma, rosolia, CMV); Malattie metaboliche materne come diabete e fenilchetonuria possono avere effetti teratogeni; Farmaci, il DES (dietilstilbestrolo) è un estrogeno di sintesi non steroideo impiegato per prevenire gli aborti spontanei, l'impiego fu collegato con l'insorgenza di adenocarcinoma a cellule della vagina 38 Non tutti gli embrioni che vengono esposti ad un teratogeno sviluppano gli stessi difetti, lo sviluppo è un periodo di elevata suscettibilità ai tossici ma anche di elevata capacità compensativa. I fattori che possono modificare la risposta ai teratogeni a sostanze tossiche sull’embrione sono: Suscettibilità genetica; Stadio dello sviluppo; Dose di esposizione (dose soglia); Stato della madre; Specie. Il periodo fetale segue l’organogenesi, si verifica il differenziamento tissutale, crescita, maturazione funzionale e l’accrescimento, l'esposizione a sostanze tossiche in tale periodo può indurre effetti sulla crescita e maturazione funzionale (es. disturbi comportamentali). Qui diminuisce la suscettibilità alle malformazioni mentre rimane alto il rischio di alterazioni dello sviluppo che si manifestano come ritardo dello sviluppo o anomalie funzionali. Il periodo ha un'elevata sensibilità del SNC, la tossicità è dose e tempo-dipendente, le possibili conseguenze sono paralisi cerebrale, deficit di intelligenza e apprendimento, alterazioni apparato locomotorio e ipo o iperattività. L'esposizione a ormoni sessuali o distruttori endocrini può provocare alterazioni nel differenziamento di organi genitali esterni, alterare la fertilità o anche modificare il comportamento sessuale. Un interferente endocrino è un agente che interferisce con produzione, rilascio, trasporto, metabolismo, legame, azione o eliminazione degli ormoni naturali responsabili del mantenimento di omeostasi e regolazione di processi di sviluppo Tutte le fasi del ciclo riproduttivo possono essere alterate da degli agenti chimici, fisici o biologici. Gli effetti avversi possono essere sia diretti che indiretti (conseguenti da un effetto tossico sulla madre). Gli effetti tossici degli xenobiotici sull'embrione e feto post-impianto sono: Morte dell’embrione; Induzione di malformazioni congenite (effetto teratogeno); Ritardo dello sviluppo; Deficit funzionale. I principali effetti di un'esposizione pre-natale sono morte dell'embrione, malformazioni e ritardo della crescita. A causa dell'elevata capacità di regolazione dello sviluppo dell'embrione, dei meccanismi omeostatici e difese metaboliche materne, la tossicità di sviluppo è considerata un fenomeno soglia. Delle sostanze esogene possono causare accorciamento, ritardo o allungamento del travaglio e parto. Lo sviluppo non finisce con la nascita, il neonato si nutre ancora attraverso il corpo della madre con il latte, alcuni xenobiotici possono passare e/o accumularsi nel latte perciò è importante sapere quali farmaci possono essere assunti durante l’allattamento. Le cause delle anomalie congenite nell’uomo non sono solo legate all'esposizione a sostanze ma spesso sono di eziologia sconosciuta, sono dovute ad agenti ambientali, mutazioni genetiche, anomalie cromosomiche ed effetti multi-fattoriali. I meccanismi della tossicità dello sviluppo sono: Proliferazione e vitalità cellulare; Migrazione cellulare; Interazione cellulare; Differenziazione; Morfogenesi; Metabolismo. 39 Quando si parla di tossicità dello sviluppo bisogna prendere in considerazione 3 compartimenti attivi e connessi fra loro che vanno incontro a delle profonde modificazioni durante tutta la gravidanza, essi sono: Madre; Placenta; Feto-embrione. La placenta è un organo metabolicamente attivo che regola il flusso ematico, offre una barriera al passaggio e metabolizzazione degli xenobiotici, tranne alcune eccezioni molti xenobiotici passano la placenta così l'embrione e poi il feto sono esposti agli xenobiotici e ai loro effetti (flusso ematico). La barriera placentare regola la velocità e il grado di diffusione placentare, questi fattori dipendono dalla liposolubilità della sostanza, peso molecolare della sostanza, legame alle proteine, tipo di passaggio (diffusione passiva, trasporto attivo e facilitato), grado di ionizzazione (pKa) e metabolismo placentare Vi sono sistemi di trasporto che contribuiscono alla funzione della barriera, essi possono trasportare le sostanze in una direzione diversa rispetto al sangue materno piuttosto che il sangue fetale quindi hanno un ruolo importante nel determinare la distribuzione delle sostanze tra la madre e il feto. Nella madre la gravidanza una condizione para-fisiologica caratterizzata da cambiamenti fisiologici: riduzione della motilità intestinale; aumento della gittata cardiaca; diminuzione proteine plasmatiche e delle resistenze vascolari periferiche; alterata funzionalità epatica, renale e del sistema polmonare; ecc. Per quanto riguarda l’uso di farmaci durante la gravidanza esistono delle categorie di rischio stabilite dalla FDA, tali categorie si basano su delle evidenze o meno dell’uso di farmaci durante la gravidanza: Categoria A rischio remoto di danno fetale, studi controllati in donne che non hanno dimostrato rischio di danno fetale durante il primo trimestre non c’è nessuna evidenza di rischio nei successivi; Categoria B rischio appena maggiore rispetto alla A, studi sugli animali mostrano che non c’è rischio fetale ma non sono stati eseguiti studi sulle donne o gli studi sugli animali mostrano che c’è un rischio di danno fetale, ma degli studi controllati sulle donne non hanno dimostrato alcun rischio nel primo trimestre e non ci sono evidenze di rischi nei trimestri successivi; Categoria C rischio maggiore rispetto a B, studi sugli animali mostrano che c’è rischio di danno fetale ma non sono stati fatti studi controllati su donne o non sono stati fatti né su donne né animali; Categoria D rischio provato di danno fetale, studi sulle donne mostrano prove di danno fetale, ma i potenziali benefici dell’uso in gravidanza possono essere accettabili nonostante i rischi, una frase sul rischio sarà esposta nella sezione “precauzioni” nel foglietto illustrativo del farmaco; Categoria X rischio provato di danno fetale, studi su donne o su animali mostrano rischio definito di anormalità fetale o rapporti su eventi avversi indicano evidenze di rischio fetale. I rischi superano qualsiasi possibile beneficio, una frase di rischio sarà esposta nella sezione “controindicazioni” del foglietto illustrativo del farmaco. Principali patologie associate alla gravidanza: 40 La madre è l’ambiente a cui sono esposti embrioni e feti quindi, esistono fattori materni che possono influenzare lo sviluppo dato che possono influenzare l’ambiente materno, questi fattori materni sono: Genetica (labbro leporino); Patologie (ipertensione cronica, diabete, infezioni); Nutrizione (malnutrizione, carenza vitamine, aggiunta di folati); Stress (elevati livelli di glucocorticoidi hanno effetti sullo sviluppo); Tossicità placentare (cadmio, arsenico, mercurio, fumo di tabacco, alcol); Tossicità materna. Rapporti tra la tossicità materna e la tossicità dello sviluppo: si ha l’esposizione ad una sostanza tossica, poi ci sono dei fattori materni di suscettibilità (genetica, patologie, età, stress) dai quali si può avere una sostanza che determina tossicità a livello placentare con la conseguente insufficienza placentare. In alternativa, si possono avere direttamente potenziali effetti della made (anemia, squilibrio endocrino, alterazioni acido-base) che determinano tossicità dello sviluppo di tipo indiretto. Quindi, quando il danno riguarda la madre è un danno indiretto sullo sviluppo. I test di tossicità devono essere fatti per valutare la tossicità delle sostanze, soprattutto di farmaci. Ci sono diversi studi nei quali vengono valutati parametri differenti in condizioni di esposizione differenti in modo tale da valutare la tossicità dello sviluppo e la tossicità sulla fertilità. Anche in questo caso, nella tossicità dello sviluppo, si eseguono gli studi su zebrafish poiché essendo trasparenti permettono di essere seguiti e studiati senza doverli sacrificare. SOSTANZE TOSSICHE NELLO SVILUPPO L’etanolo essendo lipofilo non ha difficolta ad attraversare la placenta e raggiungere il feto, in tal caso non è stato possibile stabilire una dose soglia ovvero la dose al di sotto della quale l’alcol non ha degli effetti sul feto, tanto maggiore è la quantità di alcol assunta tanto maggiore è il danno. Nel 1971 è stata descritta e definita la sindrome alcolica fetale (FAS) caratterizzata da dei dimorfismi cranio-facciali, ritardo della crescita intrauterina e post-natale, ritardo dello sviluppo psicomotorio e intellettuale. Essa è caratterizzata da problemi al SNC, basso peso e ridotte dimensioni alla nascita e una tipica espressione facciale, è una condizione molto frequente, rappresenta la conseguenza estrema di una vasta gamma di effetti dello sviluppo dovuti all’esposizione all’alcol durante la gravidanza. L’ esposizione nell’utero anche a dosi inferiori rispetto a quelli che producono la FAS conclamata è stata comunque associata ad una vasta gamma di effetti che comprendono componenti isolate della FAS come lievi disturbi neurologici e comportamentali. Il consumo di alcol durante la gravidanza può influenzare negativamente il peso del nascituro in modo dose-dipendente, in realtà questo effetto si vede soprattutto alla nascita ma nel tempo c’è un recupero e scompare. L’esposizione pre-natale può danneggiare permanentemente il cervello, interessando delle strutture importanti come il cervelletto e il corpo calloso danneggia, inoltre, specifiche popolazioni di molte altre regioni del cervello. La visualizzazione del cervello di un individuo normale (A) e 2 con la FAS (B e C) mostra una perdita permanente del tessuto indicato (porzioni del corpo calloso): 41 L’esposizione pre-natale all’alcol è associata al rischio di problemi di abuso di alcol in giovani adulti, infatti i giovani saluti figli di madri che hanno bevuto alcol durante la gravidanza hanno una maggiore probabilità di sviluppare dipendenza da alcol. Questo è dovuto al fatto che tra le varie manifestazioni fenotipiche associate all’esposizione all’alcol durante il periodo pre-natale ci sono anche alterazioni comportamentali che li predispone ad una serie di comportamenti compulsivi e di scarso giudizio. L’ alcol può causare danni permanenti al bambino prima che la maggior parte delle donne si rende conto di essere incinta. I bambini con difetti alla nascita correlati all’alcol hanno: deficit dell’attenzione, difficolta linguistiche, difficolta di apprendimento, comportamento compulsivo e scarso giudizio. L’esposizione all’alcol può causare danno durante tutte le fasi dello sviluppo: pre-impianto (prime 2 settimane); embrionale (3-8 settimane dopo concepimento) e fetale (da 9 settimana fino alla nascita). In tutti questi periodi l’alcol può avere delle conseguenze, i difetti alla nascita associati all’esposizione all’alcol durante la gravidanza sono effetti che durano per tutta la vita soprattutto quelli che riguardano le alterazioni comportamenti e possono riguardare le diverse fasi della vita di un individuo. I meccanismi molecolari della FAS non sono stati ancora chiariti e diversi target molecolari e cellulari sembrano essere coinvolti, di recente sono stati descritti effetti epigenetici in seguito all’esposizione all’alcol durante la gravidanza come ad esempio la metilazione del DNA e le modificazioni istoniche. La FAS rappresenta una delle cause più frequenti di ritardo mentale ed è uno dei principali problemi di salute pubblica, la prevalenza è stimata essere tra 1:500 e 1:1000 nati. Nelle forme più lievi dove c’è un minimo ritardo mentale o ridotto quoziente intellettivo o comportamento aggressivo/impulsivo è difficile collegare l’esposizione all’alcol durante la gravidanza soprattutto quando l’esposizione pre- natale è stata minima. Per quanto riguarda l’alcol in gravidanza si tratta di un effetto dose-risposta dipendente ovvero all’ aumentare della dose aumentano gli effetti tossici, più alcol viene consumato durante la gravidanza maggiore è il rischio di effetti avversi. Nessuna quantità di alcol è stata dimostrata “sicura” durante la gravidanza, la completa astinenza dal consumo di alcol durante la gravidanza è l’approccio più sicuro per prevenire qualsiasi possibile rischio per il feto ma in alcuni contesti socioeconomici è impossibile, in tali contesti quindi si raccomandano dei limiti di dosi settimanali di esposizione all’alcol per evitare la FAS. Dato che una raccomandazione sull’astinenza totale può essere irrealistica per alcuni contesti a più alto rischio, una tale raccomandazione può essere eticamente problematica. L’esposizione al fumo di tabacco e i suoi componenti nel periodo pre-natale e post-natale rappresenta, tra i fattori ambientali, la maggior causa di patologie e di alterazioni dello sviluppo. Le conseguenze possibili sono: aborti spontanei, morti perinatali, aumento del rischio di sindrome da morte improvvisa del lattante, aumento dei disturbi dell’apprendimento, del comportamento e dell’attenzione e il ridotto peso del nascituro. Circa 1/3 delle morti improvvise dei lattanti per sindrome da morte improvvisa del lattante (SIDS) potrebbero essere prevenute se nessun feto fosse stato esposto in utero al fumo. I possibili effetti sul nascituro conseguenti all’esposizione al fumo di sigaretta in gravidanza sono: Ridotto peso del nascituro, è uno dei più noti dall’esposizione al fumo di sigaretta in gravidanza; Obesità, il rischio di sviluppare obesità aumenta all’aumentare del numero di sigarette consumate al giorno, di conseguenza anche tutte le malattie correlate all’obesità (cancro, diabete, cardiovascolari); Gravidanza ectopica, in cui l’impianto dell’ovulo fecondato avviene in sedi diverse dall’utero; SIDS, sindrome da morte improvvisa del lattante che aumenta all’aumentare del numero di sigarette. 42 L’esposizione pre-natale al fumo può alterare la funzionalità dei polmoni dei nascituri perché il fumo ha degli effetti sulla morfogenesi e sulla maturazione dei polmoni. La nicotina, uno dei componenti principali del fumo di sigaretta, è un noto neuro-teratogeno in modelli animali e può da sola produrre degli effetti avversi sullo sviluppo inclusi un’alterata fertilità, effetti neuro-biologici, disfunzioni respiratorie, obesità, ipertensione e diabete di tipo 2. Prendendo in considerazione il mercurio invece, le fasi precoci della vita e in particolare lo sviluppo intrauterino sono quelle nelle quali si è più sensibili all’intossicazione da mercurio, il target del metil- mercurio è il SNC e il meccanismo di neurotossicità è a livello della trasmissione glutammatergica. Il metil-mercurio è altamente embrio-tossico e viene considerato un teratogeno per l’uomo, il feto è particolarmente sensibile ad esso e i danni da esso provocati risultano evidenti a carico del SNC. Esso presenta un grado di embrio-tossicità che in degli studi sperimentali è stato stimato essere 10-20 volte superiore a quello del mercurio inorganico con possibilità di trasmissione attraverso il latte materno. Il mercurio in forma metallica a temperatura ambiente è liquido, riscaldandolo si trasforma in vapore e poi in sali che ritornano nell’acqua attraverso la pioggia come composti mercurici che si combinano con cloro, zolfo ed ossigeno. I composti mercurici inorganici in acqua ad opera di microrganismi sono convertiti in mercurio organico che si accumula nel plancton, prima nei pesci con vegetazione erbivora poi carnivora e man mano nei più grandi, infatti salmone e tonno sono quelli con più attenzioni in termini di possibile quantità di mercurio. Quindi, l’esposizione nell’uomo avviene attraverso la catena alimentare poiché si consumano pesci in cui si è accumulato. Le fonti di mercurio sono: Fonti naturali: degassificazione della crosta terrestre come le eruzioni 2700-6000 tonnellate l’anno; Fonti antropogeniche: legate all’uomo come le industrie chimiche o gli impianti di incenerimento o di combustione 2000-3000 tonnellate l’anno. Le concentrazioni medie cambiano a seconda di dove si va a cercare aria, acqua, alimenti, ecc. il pesce nelle acque contaminate è quello che presenta una maggiore quantità di mercurio per unità di peso. Per legge i limiti giornalieri ammessi sono: Aria da 10 a 50 ug/m3; Alimenti da 0 a 300 ug/kg. La biomagnificazione è il processo mediante il quale le sostanze tossiche e nocive si accumulano nei tessuti degli esseri viventi con aumento di concentrazione di tali sostanze dal basso verso l’alto della piramide alimentare (in una rete trofica). Quindi, è la crescita della concentrazione dello xenobiotico nella catena alimentare con concentrazioni superiori a quelle riscontrate nell’ambiente. Il bioaccumulo è l’accumulo di sostanze all’ interno di un individuo o un ecosistema e ciò avviene in base alle caratteristiche chimiche intrinseche delle molecole, quelle lipofile tendono ad accumularsi di più perché non vengono eliminate così facilmente come quelle idrosolubili. Quindi, il bioaccumulo riguarda un individuo od ecosistema mentre la biomagnificazione fa riferimento al metil-mercurio all’ interno di un sistema, nel caso dell’uomo in una catena alimentare. 43