Unidad I. Introducción

a la toxicología

M. EN C. PAULINA DEL VALLE PÉREZ

¿Qué es la toxicología?

Ciencia multidisciplinaria

“Ciencia de los venenos”

Estudia las interacciones dañinas entre

sustancias químicas y sistemas biológicos

El estudio de los efectos, propiedades,

detección y regulación de las sustancias tóxicas

Fenómenos físicos

Sustancias

tóxicas

Organismos

sistemas biológicos

exposición

Aspectos históricos Papiro de Ebers (Egipto, 1500 A.C.)

Cicuta, acónito, opio, belladona, digital y metales (As, Pb, Sb)

Hipócrates, Aristóteles y Teofrasto (Grecia, 400 A.C.)

De Historia Plantarum: plantas venenosas

Nicandro (Grecia, 200 A.C.) Theriaka y Alexipharmaka

Mordeduras de animales venenosos y venenos de origen vegetal. Antídotos

Dioscórides (Grecia, 40 D.C.) De Materia Médica

Precursora de la farmacopea

Paracelso (Suiza, 1493) Tercera defensa. “Toxicón”

“¿Hay algo que no sea veneno? Todas las cosas son veneno, solamente la dosis determina que una cosa sea o no veneno”

Aspectos históricos

Códice De la Cruz-Badiano (México, 1522)

Libro sobre las plantas medicinales de los mexicas. “Tolohuaxíhuitl”

Mateo Orfila (España, 1787)

“Padre de la toxicología”

Tratado de los venenos minerales, vegetales y animales

Journal de Chimie Médicale, de Pharmacie et de Toxicologie.

Anales de medicina legal

Claude Bernard (Francia, 1813)

Mecanismo de acción tóxica: curare

I. Tradicional II. Moderna III.Contemporánea IV. “OMICA”

-1900 1900-1945 1946-

Aspectos históricos

Venenos, sus orígenes,

Efectos y antídotos

Aspectos forenses,

Bélicos, industriales,

Errores clínicos

Intoxicación crónica,

ambiental, mutágenos

carcinógenos

Establecimiento de

biomarcadores,

genética

Sócrates: cicuta

Claudio: amanita

Séneca: cicuta

Mozart: ¿?

Napoleón: arsénico

Marilyn Monroe: barbitúricos

Michael Jackson: propofol

Aspectos históricos

Divisiones de la Toxicología

Toxicología

Descriptiva

RegulatoriaMecanística

Áreas especializadas

Forense: aplicación de técnicas analíticas para responder cuestiones médico-legales sobre los efectos dañinos de las sustancias químicas.

Clínica: Efectos de las sustancias químicas en envenenamientos. Diagnóstico y tratamiento. Veterinaria.

Ambiental e industrial: Efecto de las sustancias químicas (contaminantes) y sus impactos en los ecosistemas y poblaciones.

Definiciones

Fármaco

Toxón: Sustancia que manifiesta efectos dañinos que pongan en peligro la vida de los individuos.

Xenobiótico: Toda sustancia extraña al organismo,

incluyendo sustancias benignas o dañinas. Excluye

vitaminas y hormonas.

Sustancia endógena: Aquella que no es extraña al

organismo y a determinadas concentraciones es

necesaria para que funcione de manera correcta.

Hormesis: Fenómeno que presentan algunas sustancias al manifestar efectos biológicos opuestos de acuerdo a

la concentración

Hormesis

Curva dosis-respuesta en forma de

U o J

Típica curva Dosis-respuesta

Clasificación de los agentes tóxicos

Por el órgano diana: hígado, riñón, cerebro, etc…

Por su uso: agroquímicos, aditivos, fármacos, sustancias de abuso, etc..

Por su origen: animal, vegetal, mineral.

Por sus efectos: teratogénico, carcinogénico, etc…

Por su mecanismo de acción: unión a biomoléculas, inhibición, etc…

enzimática, etc..

Por su DL50

DL50 (ratón) Término Ejemplo

> 15 g/kg No tóxico Esteviósido

5-15 g/kg Ligeramente tóxico Etanol*

0.5-5 g/kg Moderadamente tóxico Buscapina (1 g/kg)

50-500 mg/kg Muy tóxico Cocaína (96 mg/kg)

5-50 mg/kg Extremadamente tóxico Nicotina 24 mg/kg

< 5 mg/kg Súper tóxico Toxina botulínica

(10 ng/kg)

Rutas de administración para

determinar DL50

Oral

Subcutánea

Intramuscular

Intraperitoneal

Intravenosa

Absorción

Etapas de la acción tóxica

Exposición

• Frecuencia

• Ruta

• Dosis

• Riesgo

Toxocinética • ADME

Toxodinamia• Mecanismo

de acción EFECTOS

TÓXICOS

Exposición

Ruta

Frecuencia

Aguda < 24 h

Subaguda < 1 mes

Subcrónica 1-3 meses

Crónica > 3 meses

Exposición

Evaluación del riesgo de

exposición Riesgo: Probabilidad de que una sustancia produzca un daño bajo

condiciones específicas

Seguridad: Probabilidad de que daño no ocurra

Peligro: Propiedades tóxicas intrínsecas de una sustancia

Manejo del riesgo: toma de acciones para controlar los peligros identificados en la evaluación del riesgo

Caracterización del riesgo: consideraciones cualitativas y cuantitativas

Identificar el peligro

Evaluaciones in vitro, in vivo

Estudios de relación estructura-actividad

Datos epidemiológicos

Dosis-respuesta

Relación dosis-respuesta en la

evaluación del riesgoCriterio para aceptar una

relación causal entre un

xenobiótico y un efecto

adverso

NOAEL (No observedadverse effect level)

LOAEL (Lowestobservable adverse effect level)

DL50

Umbral: compuestos no carcinogénicos

NOAEL

Dosis más alta que NO produce un aumento significativo en la

respuesta

Depende de:

Dosis evaluadas

# de animales

Incidencia de los animales

Dosis de Referencia (RfD) para exposición oral cónica

Concentración de Referencia (RfC) para exposición inhalatoria

crónica

Nivel Mínimo de Riesgo (MRL)

Ingesta diaria aceptable (ADI)

El NOAEL debe ser una de las dosis evaluadas

RfD = NOAEL

UF * MF

MRL = NOAEL

UF

Benchmark dose (Dosis de

referencia)

Dosis de una sustancia que se espera que resulte en un nivel predefindo de efecto (Nivel de respuesta de referencia)

Se calcula el límite de confiabilidad de una dosis a un nivel específico de respuesta (respuesta de referencia BMR)

1, 5 o 10% de la respuesta (Incertidumbre 95%)

Valor alternativo al NOAEL

No depende tanto del diseño del experimento

Se toma en cuenta el tamaño de muestra y la forma de la curva dosis-respuesta

Se emplea para datos continuos o poblacionales, con o sin umbral

Efectos carcinogénicos

Variación de susceptibilidad

Genética

Sexo

Edad

Enfermedades preexistentes

Hábitos (dieta, fumar, alcohol)

Medicación

Biomarcadores

Cualquier respuesta biológica a un xenobiótico a nivel individual o molecular que provee información sobre el estado normal o patológico de un individuo o población. Se utilizan en estudios in vivo e in vitro

Relación de causalidad

Magnitud dosis-dependiente

Método de evaluación

De exposición: xenobiótico, metabolito, aducto, sustancia endógena. Metales

De efecto: componentes endógenos, medidas de la funcionalidad o cualquier otro indicador del estado o equilibrio del organismo

De susceptibilidad: un individuo es especialmente sensible al efecto de un xenobiótico, rasgos hereditarios o factores ambientales

Biomarcadores

BIOMARCADOR Ejemplos

Exposición Aductos de DNA

Aductos de albúmina

Excreción en orina

Aductos de hemoglobina

Efecto Recuento de eritrocitos, leucocitos

Actividad enzimática (AChE)

Niveles de proteínas en orina

Susceptibilidad Polimorfismos de enzimas (CYP 450)

Polimorfismos de GH-S-transferasa

Polimorfismo NAT-2

Bioindicadores y biomonitoreo

En ecotoxicología (Toxicología ambiental) sirven para medir el

impacto de contaminantes en los ecosistemas

Efectos medibles sobre alteraciones morfológicas, del

comportamiento, sobre tejidos o fisiológicos, muerte o desaparición

de una población

Especies de aves, peces, invertebrados, plantas, etc.

Lirios: contaminación

Efecto medible que se monitorea en los bioindicadores

Evaluación en campo o en laboratorio

Bioindicadores y biomonitoreoBIOINDICADORES BIOMONITOREO IMPACTO ECOLÓGICO

Daphnia magna Genotoxicidad Agua dulce

Tabaco Clorosis Ozono atmosférico

Artemia salina Mortalidad Metales pesados en

agua de mar

Líquenes Desaparición Atmósfera, lluvia ácida,

metales pesados

Carpa común Mortalidad Nitratos, fosfatos y

turbidez en agua dulce

Etapas de la acción tóxica

Exposición• Frecuencia

• Ruta

• Riesgo

Toxocinética • ADME

Toxodinamia• Mecanismo

de acción

EFECTOS

TÓXICOS

Toxocinética

Estudio del movimiento de los xenobióticos dentro del organismo

Comprende los procesos de ADME

Absorción: Transporte a través de las membranas biológicas desde su sitio de

ingreso hasta la circulación

Permeación: capacidad de un xenobiótico para trasladarse por la membrana

Difusión simple

Difusión facilitada

Transporte activo

Endo/exocitosis

Filtración por poros

Propiedades fisicoquímicas de los

xenobióticos

Liposolubilidad

LogP

LogD

Peso molecular (tamaño)

Polaridad y carga

Similitud a sustancias endógenas (5-

HT y DMT)

Difusión simple

Forma de transporte más utilizada por los xenobióticos

Factores que afectan la velocidad:

El gradiente de concentración del

xenobiótico

Coeficiente de partición o de

distribución

Tamaño molecular

Grado de ionización

Coeficiente de partición (logP)

Relación de la concentración de una

sustancia entre una fase orgánica

(octanol o cloroformo) y una fase

acuosa a 25 °C o a 37 °C

Expresa el grado de solubilidad en lípidos

de un compuesto

Moléculas sin carga

Nos indica la facilidad con que una

sustancia puede transportarse en las

membranas

Coeficiente de partición

Xenobiótico Log P

Nicotina 1.17

Cocaína 2.30

Acetaminofén 0.46

Nifedipino 2.20

Morfina 0.89

Fluoxetina 4.05

Coeficiente de distribución (logD)

Muchos xenobióticos son ácidos o bases débiles

La forma no ionizada atraviesa las membranas biológicas

Relación entre el grado de ionización de un xenobiótico y log P

log D= [fase orgánica (no ionizado)]/[fase acuosa (ionizado + no ionizado)]

Ácidos: log DpH = log PHA – log (1 +10 pH–pKa)

Bases: log DpH = log PB – log (1 +10 pKa–pH)

Transporte activo

Similitud estructural con moléculas

endógenas

Requiere un gasto de energía

Contra el gradiente de

concentración

Saturable

Excreción de sustancias tóxicas a

través del riñón

Uracilo y 5-fluorouracilo

Endo/exocitosis

Invaginación que provoca una célula hacia una

partícula sólida (fagocitois) o líquida (pinocitosis)

Macromoléculas y liposomas

Resumen toxocinética

Los xenobióticos se transportan principalmente por difusión simple

LogP: expresa el grado de liposolubilidad de un xenobiótico

Tamaño < 500 Da (4 x 10 -4 mm)

LogD: relaciona el logP con el grado de ionización (pKa) para

ácidos y bases débiles

Compuestos muy polares: se excretarán fácilmente

Compuestos poco polares: se almacenarán en depósitos lipofílicos

La forma no ionizada de un ácido o una base es la que atraviesa la

membrana

Transporte activo: similitud estructural con endógenos

Regla de 5 de Lipinski (diseño de

fármacos)

Regla empírica

Moléculas pequeñas y lipofílicas

Solamente absorción oral

PM < 500 Da

Donadores de enlaces de H < 5 (N u O)

Aceptores de enlaces de H < 10 (N, O o F)

Log P < 5

Tracto gastrointestinal

Absorción gastrointestinal Plasma

Factores que afectan la absorción:

Velocidad de disolución y tiempo de desintegración

pH de la porción gastrointestinal

Propiedades del xenobiótico (pKa, liposolubilidad, tamaño, y

estabilidad química)

Vaciamiento gástrico

Área de absorción

Tiempo de residencia

Velocidad de disolución y tiempo

de desintegración

Depende de la solubilidad del xenobiótico

La velocidad de disolución es directamente

proporcional a la solubilidad (acuosa)

R = K * S

> 1g/100 mL

Forma farmacéutica

Vaciamiento gástrico

Estómago intestino delgado

Xenobióticos con velocidad de disolución muy lenta, el

vaciamiento retardado favorecerá su absorción

Promueven vaciamiento Retardan vaciamiento

Soluciones alcalinas Alimento grasosos o viscosos

Ansiedad Depresión

Hambre Úlceras

Hipertiroidismo Hipotiroidismo

Alimentos fríos Alimentos calientes

pH De la porción gastrointestinal

Xenobióticos: ácidos o bases débiles

Solo la forma no iónica atravesará las membranas (difusión simple)

Ácidos estómago

Básicos o ácidos intestino delgado (permeación)

Tiempo de residencia

Porción Longitud

(m)

Área

(m2)

pH Residencia Moos

Esófago 0.3 0.02 6.8 > 30 s ¿?

Estómago 0.2 0.2 1-3 1.5 h < 102

Duodeno 0.3 0.02 5-6.5 > 5 min < 102

Yeyuno 3 100 6.9 1-2 h < 102

Íleon 4 100 7-8 2-3 h < 107

Colón 1.5 3 5.5-8 15- 48 h < 1011

Inestabilidad química y metabolismo intestinal

Compuestos lábiles en medios ácidos se pueden hidrolizar en el

estómago. Ej. Glucósidos cianogénicos

Péptidos como insulina, oxitocina o vasopresina se desnaturalizan o

descomponen por las enzimas proteolíticas

En el intestino delgado hay enzimas que pueden transformar a los

xenobióticos (grupos funcionales susceptibles). Ej. cloropromazina

Los microorganismos también pueden transformar a los xenobióticos.

Nitritos → nitrosaminas

Cambio en la actividad biológica: desactivación, bioactivación.

Tracto respiratorio

Gran área de absorción (50-100 m2)

Alta irrigación sanguínea

Absorción muy rápida y eficiente

Región nasofaríngea: 5-30 mm

Región traqueobronquial: 1-5 mm

Región alveolar: < 1mm

Tamaño de partícula

Gases o partículados (sólidas o líquidas)

Absorción o Fagocitosis

Gases y vapores

El grado de absorción depende de la solubilidad del gas (Coeficiente de reparto

entre la fase gaseosa y la sangre)

Saturación de la sangre provoca un incremento en el flujo sanguíneo

Obedecen a las leyes generales de los gases

Los sistemas particulados (aerosoles o partículas sólidas) se comportan de manera

diferente

Solubles Ligeramente solubles Insolubles

NH3 X2 NOx

HCl O3 AsO3

SO2 PCl4 CoCl

HF

H2SO4

Piel

Tejido complejo que consta de diversas capas

Completamente expuesto al ambiente

3 mm de grosor

Estrato córneo: 80% de resistencia a absorción

Contiene esteroles y ceramidas, no se absorben xenobióticos altamente

lipofílicos

pH 4-7

En los capilares puede ocurrir absorción sistémica

Escrotal > Frente > axila > cuero cabelludo > espalda > palmas y plantas

DISTRIBUCIÓN

Una ves que los xenobióticos has sido absorbidos pasan a la sangre

Depende de la vía de absorción

Factores que influyen en la distribución:

Propiedades fisicoquímicas del xenobiótico

Gradiente de concentración entre los diferentes compartimentos

Riego sanguíneo de los órganos y tejidos

Unión a proteínas

Unión a proteínas

Xenobiótico libre xenobiótico-proteína

Sólo el xenobiótico libre puede tener actividad biológica

Albúmina (69000 D): se unen compuestos ácidos

a1-glicoproteína (40000 D): se unen sustancias básicas

Lipoproteínas (LDL, HDL)

Interacciones ión –ión, enlaces de H, fuerzas de van der Waals e

interacciones hidrofóbicas

Distribución reducida

Desplazamiento de otras sustancias Toxicidad

Unión a proteínas

Unión a albúmina Unión a a1-glicoproteína Unión a lipoproteínas

AAS Imipramina Amitriptilina

Barbitúricos Lidocaína Nortriptilina

Benzodiazepinas Metadona

Digitoxina Propanolol

Estreptomicina Verapamil

Fenitoina Dipiridamol

Penicilina Disopiramida

Toxodinámica

Modo de acción o mecanismos de interacción

molecular con los sistemas biológicos a través de los

cuales se da la acción tóxica:

Factores a considerar en la respuesta tóxica:

Características de la exposición (aguda, crónica, ruta de

ingreso, etc.)

La dosis (recordar a Paracelso!)

Las características del xenobiótico (estructura y propiedades fq)

Tipo de efecto tóxico producido

Características genéticas del organismo

Xenobiótico Blanco molecular

Efectos adversos de los medicamentos

Reacciones adversas de los medicamentos: “Cualquier efecto perjudicial y no deseado que se presenta a las dosis empleadas en el humano para profilaxis, diagnóstico, terapéutica o modificación de una función fisiológica”

Farmacovigilancia: ciencia que recoge, vigila, investiga y evalúa la información sobre los efectos de los medicamentos, productos biológicos y medicina tradicional con el fin de identificar información acerca de las reacciones adversas y prevenir daños en los pacientes. NOM-220-SSA-2012: Instalación y operación de la farmacovigilancia

Graves: causan la muerte, ponen en peligro la vida, hacen necesaria la hospitalización, causan invalidez o incapacidad persistente, causan alteraciones o malformaciones en el recién nacido

Coma, choque anafiláctico, colapso vascular, inmunosupresión, daño ocular, disfunción hepática, mutaciones, teratogénesis, etc…

No graves:

calambres, fiebre (leve), glositis, anorexia, diarrea (leve), hipo, nauseas, vómito, vértigo, dolor de cabeza, debilidad, fatiga,, etc…

Clasificación de las reacciones

adversas

Tipo A: Se pueden predecir con base en el efecto farmacológico. Son dosis dependientes

Por sobredosis: exageración del efecto farmacológico. Hemorragia

Por efecto secundario: Somnolencia

Efecto de “rebote”: aumento de la presión arterial

Tipo B (idiosincráticas): No son predecibles, No guardan relación con la dosis. Causas genéticas (modificación en el metabolismo). Alergias

Tipo C: Se pueden predecir o racionalizar con base en la estructura del xenobiótico o sus metabolitos. Grupos nitro

Mecanismos generales de acción

tóxica

Unión a macromoléculas

Interferencia con la producción energética celular

Interferencia con las interacciones ligando-receptor

Interferencia con las funciones membranales

Perturbación de homeostasis de calcio

Pérdida de células selectivas

Alteraciones genéticas en células somáticas

Unión a macromoléculas Modificación de la

actividad enzimática:

warfarina

Estrés oxidante: paraquat

Unión a DNA y RNA:

ciclofosfamida

Interferencia con la producción de

energía celular

Inhibición de la fosforilación oxidativa

Oligomicina: inhibición de ATP sintetasa

Rotenona: Inhibición del complejo I

Cianuro: Inhibidor del complejo IV

Desacoplamiento de la fosforilación oxidativa

2,4-dinitrofenol: interrumpe el gradiente de pH en la membrana interna

mitocondrial

Dicumarol

Pentaclorofenol

Interferencia con las interacciones

ligando-receptor

Neuroreceptores y neurotransmisores

Receptores hormonales

Interferencia con las funciones de

las membranas

Fluidez de la membrana: disolventes orgánicos, anestésicos locales

Bloqueadores de canales iónicos: tetrodotoxina

Membranas mitocondriales

Membranas lisosomales: tetracloruro de carbono

Interferencia sobre el sistema

inmune

Pueden actuar como antígenos, como haptenos o como adyuvantes

Hipersensibilidad:

Tipo 1: Inmediata (IgE-células cebadas). Urticaria, rinitis, dermatitis atópica, anafilaxia

Tipo 2: Citolítica. Antigeno-célula (IgG, IgM, IgA). Incompatibilidad RH

Tipo 3: Complejos inmunes (IgG, IgM). Inflamación

Tipo 4: Retardada(linfocitos T). Dermatitis por contacto

Imnunosupresión: Ciclosporina A, ciclofosfamida, glucocorticoides, plomo,

cadmio, metilmercurio,, DDT, dierldrin, cannabinoides, nicotina, asbestos, etc…

Autoinmunidad

Mecanismos de citotoxicidad

Apoptosis: Muerte celular programada. Vía de las caspasas

Necrosis: daño agudo a células causado por agentes físicos, toxinas o deficiencias nutrimentales

Excitotoxicidad: muerte de neuronas por un aumento de la despolarización de la membrana postsináptica

Apoptosis vs necrosisApoptosis Necrosis

Muerte controlada de células

individuales

Afecta a un grupo de células

Es inducida por estímulos

fisiológicos

Provocada por eventos no

fisiológicos (trauma)

No hay inflamación Hay inflamación

Contracción del citoplasma y

condensación del núcleo

Hinchamiento del citoplasma y

mitocondrias

No se pierde la integridad de

la membrana

Se pierde la integridad de la

membrana

Proceso activo (ATP) Proceso pasivo

Fragmentación de la célula en

pequeños cuerpos apoptóticos

Lisis total de la célula

Se forman poros en las

mitocondrias

Desintegración de organelos

Biomarcadores de citotoxicidad

Citotoxicidad: daño letal a las células

CL50

mM, mM, nM

Inhibición del crecimiento (GI)

Inhibición total del crecimiento (TGI)

# De células (inicial) # de células (24 h) Parámetro

2,000,000 4,000,000 Control -

2,000,000 3,000,000 GI50

2,000,000 2,000,000 TGI

2,000,000 1,000,000 CL50

Biomarcadores de citotoxicidad

Biomarcador Característica

MTT y XTT Convertido en formazán

por enzimas

mitocondriales

Rojo neutro Retenido por lisosomas y

endosomas

Azul de tripano Colorante no es retenido

por células viables

Sulforodamina B Se une a aminoácidos

básicos proteínas

intracelulares

Azul kenacida Proteínas totales

intracelulares

Resazurina Se reduce a resorufina

(fuorescente)

MTT y XTT

Rojo neutro

Azul de tripano

Sulforodamina B

Resazurina

Liberación de lactato

deshidrogenasa (LDH)

Líneas celulares

Líneas primarias: derivan de subcultivos de células normales

Líneas secundarias: derivan de células transformadas (tumores)

Medio de cultivo:

Sales inorgánicas

Elementos trazas

Buffer pH 7.2-7.4

CHOS

Aminoácidos

Vitaminas

Proteínas y péptidos

Lípidos

Antibióticos

Suero fetal bovino

Aplicaciones

Biología celular

Biología molecular

Bioquímica y fisiología celular

Toxicología y farmacología

Mutagénesis y carcinogénesis

Desarrollo de vacunas y biológicos

Líneas celulares

Línea celular Característica

A549 Pulmón

Chang, CC1144, ARL Hígado

C1300, C6 Sistema nervioso

PC-3 y DU-145 Próstata

HEK293 Riñón

IMR-32 Neuroblastoma

MCF-7 Cáncer de mama

IGR-OV-1 Ovario

HL-60 Leucemia linfoblastica

Colo-205, HCT-15 Colon

“End points”

Síntesis o liberación de moléculas específcas

Urea, sales biliares, histamina, hemoglobina, etc…

Síntesis, liberación o actividad de enzimas

b-glucuronidasa, LDH, ATPasa, G-6-P-deshidrogenasa, Ach-esterasa

Interacción de xenobióticos con las células

Fagocitosis, inclusión citoplásmica, acumulación intracelular

Alteraciones metabólicas

Transporte de glucosa, peroxidación de lípidos, acumulación de lípidos

Actividad en la superficie celular

Adhesividad, polarización de la membrana, antagonismo H1