BIOMARCADORES PARA MATERIAL PARTICULADO

GONZÁLEZ RAMÍREZ María Alejandra IAMB 201010 08

i

BIOMARCADORES PARA MATERIAL PARTICULADO

MARÍA ALEJANDRA GONZÁLEZ RAMÍREZ

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL BOGOTÁ D.C.

2010


ii

BIOMARCADORES PARA MATERIAL PARTICULADO

Por

MARÍA ALEJANDRA GONZÁLEZ RAMÍREZ

Asesor

ANDREA DEL PILAR MALDONADO

TESIS PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERA AMBIENTAL.

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL BOGOTÁ D.C.

2010


iii

Nota de Aceptación

_____________________________ _____________________________ _____________________________

______________________ Andrea del Pilar Maldonado

Asesor de proyecto de grado


iv

RESUMEN

En este trabajo se presenta una revisión conceptual de biomonitoreo, biomarcadores,

estudios epidemiológicos y de caracterización de material particulado. Adicionalmente, se

realizó una revisión bibliográfica de múltiples trabajos publicados sobre biomarcadores para

material particulado y sus componentes, los cuales han encontrado efectos nocivos

significativos en la salud humana. Por último, se realizó una revisión bibliográfica de los

trabajos realizados en Colombia, relacionados con calidad de aire y salud pública.


1

Tabla de contenido INTRODUCCIÓN ........................................................................................................4

1. OBJETIVOS .......................................................................................................5

1.1 OBJETIVO GENERAL ..................................................................................5

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..........................................................................5

2. MARCO TEÓRICO ...........................................................................................6

2.1 BIOMONITORERO .......................................................................................6

2.2 BIOMARCADORES ......................................................................................8

2.3 CINÉTICA DE BIOMARCADORES ........................................................... 10

2.4 ESTUDIOS EPIDEMIOLÓGICOS .............................................................. 13

2.5 MATERIAL PARTICULADO ..................................................................... 17

3. CARACTERIZACIÓN DE MATERIAL PARTICULADO ........................... 23

3.1 PM de Combustión ....................................................................................... 23

3.2 PM re-suspendido ......................................................................................... 26

4. TOXICIDAD DEL MATERIAL PARTICULADO ........................................ 28

5. BIOMARCADORES PARA MATERIAL PARTICULADO ......................... 34

5.1 Biomarcadores de Exposición ....................................................................... 37

5.2 Biomarcadores de Efecto .............................................................................. 42

5.3 Biomarcadores de Susceptibilidad. ............................................................... 46

5.4 Rrevisión de estudios de biomarcadores para PM y/o sus componentes......... 47

6. SELECCIÓN Y VALIDACIÓN DE BIOMARCADORES PARA

MATERIAL PARTICULADO ................................................................................ 54

7. PROBLEMÁTICA COLOMBIANA ............................................................... 61

8. CONCLUSIONES............................................................................................. 65

Bibliografía ................................................................................................................ 66


2

Lista de Figuras

Figura 1. Escalera de Biomarcadores de exposición relacionados con polución atmosférica. 9

Figura 2. Paradigma de los biomarcadores. 10

Figura 3. Cinética de Biomarcadores. 11

Figura 4. Diagrama de clasificación de estudios epidemiológicos. 15

Figura 5. Distribución del PM por tamaño y modo . 19

Figura 6. Alcance de PM en el sistema respiratorio en función del tamaño. 21

Figura 7. Formación de PM en la atmósfera . 22

Figura 8 . Distribucion general de l acomposicion de PM de diésel. 25

Figura 9.Relación de PM y mortalidad en análisis de cohorte. 29

Figura 10. Cadena exposición-enfermedad, evaluación de riesgos. 34

Figura 11.Progresión de la acción de los biomarcadores de dosis interna hasta el nivel molecular de dosis

efectiva. 38

Figura 12. Relaciones de diferentes biomarcadores con niveles y tiempo de aparición después de una

única dosis. 39

Figura 13. Diagrama de los eventos hipotéticos desarrollados desde una exposición crónica de partículas

hasta el desarrollo de enfermedades como cáncer y arterosclerosis. 43

Figura 14.Factores variables que influencian la interacción químico-individuo. 55


3

Lista de Tablas Tabla 1. Ventajas y desventajas de estudios epidemiológicos en los que se han utilizado biomarcador. 16

Tabla 2. Fuentes de material particulado. 17

Tabla 3. Clasificación de PM por tamaño. 20

Tabla 4. Composición (%) de componentes mayoritarios del material particulado par diferentes

ciudades. 23

Tabla 5. Impactos sobre la salud PM 10, PM 2.5, BS, TSP, en función de dosis-respuesta. 30

Tabla 6 .Compuestos típicos en PM emisiones de diésel. 33

Tabla 7. Clasificación de biomarcadores por uso. 36

Tabla 8. Revisión bibliografía biomarcadores para PM y/o sus componentes. 48

Tabla 9. Algunos parámetros de biomonitoreo propuesto por diferentes organizaciones. 52

Tabla 10. Biomarcadores de susceptibilidad. 54

Tabla 11.Pasos para el desarrollo y validación de un biomarcador. 57

Tabla 12. Criterios de validación para 1-OPH. 60


4

INTRODUCCIÓN

Las personas desarrollan diferentes actividades durante el día, tanto en ambientes exteriores

como en interiores, durante el transcurso de la vida estas se encuentran expuestas a la

inhalación de sustancias presentes en la atmósfera, las cuales pueden ser de gran complejidad

y representar un riesgo para la salud. El estudio de los contaminantes del aire incrementa

continuamente debido a los efectos adversos que estos tienen sobre la salud y la calidad de

vida de las poblaciones. Realizar estudios que permitan encontrar relaciones directas entre

contaminantes atmosféricos y efectos de los mismos sobre la salud humana es complejo,

debido a los múltiples factores que están relacionados con las respuestas de las patologías

humanas y los contaminantes atmosféricos. Uno de los contaminantes atmosféricos más

estudiados es el material particulado, las propiedades químicas, físicas y termodinámicas de

este contaminante atmosférico dependen de múltiples factores, que hacen de este una

mezcla compleja potencialmente nociva para la salud humana. El material particulado es el

componente del aire con mayores efectos adversos sobre la salud humana, algunos estudios

han encontrado una relación positiva entre la mortalidad diaria y la concentración de

partículas (1), presentando efectos nocivos sobre el sistema respiratorio y cardiovascular, así

como alteraciones celulares y genéticas, de tipo mutagénico y cancerígeno, lo cual se

encuentra ampliamente reportado en estudios toxicológicos.

Debido a las múltiples sustancias tóxicas que se pueden encontrar en el material particulado

(PM), es importante realizar análisis que permitan identificar y caracterizar estas sustancias,

así como su transformación en el cuerpo humano y los efectos nocivos que causan. Los

estudios toxicológicos con biomarcadores son una herramienta útil y acertada para la

evaluación de PM y sustancias tóxicas presentes en el mismo. Los análisis de biomarcadores

permiten conocer información temprana y confiable de cambios adversos o riesgos

potenciales sobre la salud humana causada por diferentes compuestos del medio ambiente,

permitiendo así realizar diagnósticos tempranos, métodos de tratamiento y políticas de salud

pública que permita mitigar y/o prevenir la exposición a sustancias tóxicas.


5

1. OBJETIVOS

1.1 OBJETIVO GENERAL

Realizar una revisión bibliográfica que permita identificar los biomarcadores utilizados

para evaluar de forma cualitativa y cuantitativa los efectos y/o perturbaciones

causados por el material particulado.

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Revisión de conceptos de biomonitoreo.

Revisión de caracterización físico-química del material particulado de

naturaleza de re-suspendida y de combustión.

Identificación de biomarcadores utilizados en la evaluación toxicológica de

material particulado y sus componentes, de naturaleza re-suspendida y de

combustión.

Identificación de los procedimientos de selección y validación de

biomarcadores para material particulado y sus componentes.


6

2. MARCO TEÓRICO

2.1 BIOMONITORERO

El biomonitoreo es una técnica científica que permite evaluar exposiciones a sustancias

naturales o químicos sintéticos, mediante el uso de biomarcadores en muestras y análisis de

tejidos o fluidos corporales. Esto es posible ya que la mayoría de las sustancias químicas que

ingresan en el cuerpo humano dejan marcas relacionadas con su exposición, la cual puede ser

la sustancia como tal o el resultado de transformaciones de la misma durante su trayectoria

en el cuerpo humano. Esta técnica sólo permite realizar mediciones de exposición, por sí sola

no proporciona información de toxicidad o de riesgo (2).

El biomonitoreo realiza una medición directa de la exposición humana individual o de

poblaciones, adicionalmente es un método integrado, es decir permite evaluar la exposición

total teniendo en cuenta tanto las rutas de transporte y como las fuentes de generación. Sin

embargo la integración también puede representar una limitante debido a que la

superposición entre las rutas y los origines de exposición dificulta la identificar de las

contribuciones individuales de cada una. Otra limitante del biomonitoreo es que solo provee

información en un punto del tiempo, es decir no se puede determinar a partir de los

resultados si la información hace referencia a múltiples exposiciones independientes en un

periodo largo de tiempo o a exposiciones continuas durante un periodo de tiempo o

combinación entre estas.

El biomonitoreo puede ser utilizado para evaluar niveles de químicos, naturales o sintéticos,

que estén presentes o que hayan estado presentes en el ambiente. Químicos naturales que

han sido estudiados por monitoreo incluyen los que se encuentran en la corteza terrestre

como plomo y arsénico, así como una amplia variedad de compuestos complejos que hacen

parte de los alimentos que consumimos, el agua potable y el aire que respiramos; estas

sustancias complejas incluyen sustancias que son parte de plantas y animales que tiene


7

actividad biológica, incluyente pesticidas naturales, carcinogénicos y compuesto

hormonalmente activos. Es importante mencionar que el estudio de los químicos sintéticos es

de especial interés ya que estos se utilizan durante la producción y/o en el producto final de

múltiples compuestos, los cuales están en contacto directo con los seres humanos.

El biomonitoreo es un buen detector de químicos persistentes en cuerpo, es decir compuestos

que no son rápidamente sintetizados y/o excretados. Algunos ejemplos de sustancias

persistentes son metales como el plomo y el arsénico, así como gran cantidad de compuestos

químicos de tipo orgánico como PCBs (bifenilos policlorados), PAH’s (hidrocarburos

aromáticos poli cíclicos), DDT (Dicloro Difenil Tricloroetano), entre otros. Este tipo de

sustancias son encontradas frecuentemente por biomonitoreo no sólo por su persistencia en

el cuerpo humano, sino porque también permanecen en la ambiente por largos periodos de

tiempo. Debido a la persistencia ambiental y biológica, estos compuestos se encuentran con

mayor frecuencia en el cuerpo humano en niveles elevados mayores a otros químicos que

pueden ser producidos o utilizados en cantidades considerablemente más grandes (3).

Los niveles de las sustancias biomonitoreadas se miden generalmente en partes por millón

(ppm), partes por billón (ppb) o partes por trillón (ppt). Generalmente, las sustancias

detectadas en mayor proporción son aquellas que son persistentes en el ambiente o

sustancias que se encuentren en cantidades no usuales debido a condiciones especiales. Sin

embargo hay que tener en cuenta que por sí solo el biomonitoreo no puede medir la

probabilidad o la magnitud de futuras exposiciones. La información del biomonitoreo es útil

para identificar las sustancias xenobióticas en el ambiente y los posibles niveles de

concentración y exposición a los cuales se encuentra sujeta una población con una mayor

precisión. La cuantificación de estos factores permite diseñar métodos efectivos que permitan

reducir las exposiciones, y evaluar la efectividad de las medidas diseñadas. De igual forma el

biomonitoreo genera información verificable que permite a los médicos diagnosticar y

administrar el tratamiento de pacientes que hayan sido expuestos a altos niveles de

exposición de una sustancia particular (3).


8

2.2 BIOMARCADORES

Después de una exposición ambiental cada persona tiente una única respuesta tanto a la dosis

como al tiempo de desarrollo de una enfermedad relacionada a la exposición, estas

respuestas pueden ser afectadas por modificaciones intrínsecas (genéticas) o extrínsecas

(estilo de vida). En comparación con otro tipo de mediciones, los biomarcadores pueden

clasificar más acertadamente los niveles de exposición de individuos, comunidades locales y

poblaciones (4), además estos pueden describir el mecanismo de acción de las sustancias

ingeridas y predecir los riesgos a desarrollar enfermedades asociadas a exposiciones

específicas.

Los biomarcadores realizan determinaciones cuantificables de eventos biológicos que

producen variaciones biológicas en condiciones anormales. Por ejemplo: metabolitos químicos

inusuales “in vivo”, cambios genéticos, alteraciones de expresiones de genes, células y

proteínas (5). Los indicadores de cambio celular, bioquímico o fisiológico son medidos en

células, fluidos corporales, tejidos u órganos, (6) y la eficacia de los biomarcadores depende

de diferentes factores como: el tiempo de muestreo, la naturaleza química del biomarcador y

la cinética de este en el medio biológico analizado. En general los biomarcadores están

clasificados de acuerdo a su uso en los diferentes estudios poblacionales, ver Figura 1, y se

clasifican principalmente en las siguientes categorías:

Biomarcadores de exposición: como su nombre lo indica estos biomarcadores miden

la exposición a determinada sustancia. Estos pueden ser divididos entre

biomarcadores de dosis interna y biomarcadores de dosis efectiva biológica. La dosis

interna puede ser la cantidad de químico absorbido durante exposiciones recientes o

en el caso de sustancias toxicas acumulativas, la dosis interna se refiere a la cantidad

de químico almacenado en un órgano o fluido corporal. La dosis efectiva biológica o la

dosis objetivo, representa el alcance de la interacción entre la sustancia o sus

metabolitos reactivos con un objetivo molecular crítico.


9

Biomarcadores de efecto: estos biomarcadores miden las interacciones biológicas

tempranas en un organismo y dependiendo de su magnitud pueden indicar un daño

potencial a la salud o el desarrollo de una enfermedad (7).

Biomarcadores de susceptibilidad: es un indicador de propiedades inherentes o

adquiridas de una sustancia que puede modificar la dosis interna o elevar la respuesta

a la exposición a una sustancia específica (7).

En la cadena exposición-enfermedad, los biomarcadores son fundamentales en la

investigación de las diferentes etapas de desarrollo. En la Figura 2 se observa un modelo de

desarrollo y las diferentes interacciones entre la exposición a una sustancia y el desarrollo de

una enfermedad (6), los cuadros sombreados representan las áreas de aplicación de los

biomarcadores.

Dosis interna

OH-pireno

Metabolitos del Benceno

Dosis externa

Área

Modelación

Muestras personales

Respiración

Defensa mucociliar

Metabolismo

Genotipo

Metabolismo

Genotipo

Antioxidantes

Dosis biológica efectiva

Daño a DNA

Daño a proteínas

Daño a lípidos

Expresión genética

Efectos biológicos tempranos

Aberración cromosómica

Micronucleicos

Mutación

Plaquetas

Enfermedades

Cáncer

Enfermedades cardiovasculares

Enfermedades respiratorias

Mecanismos de reparación

Ciclo de control celular

Figura 1. Escalera de Biomarcadores de exposición relacionados con polución atmosférica (48).


10

Figura 2. Paradigma de los biomarcadores. (6)

2.3 CINÉTICA DE BIOMARCADORES

Uno de los principales objetivos de la toxicología es predecir la concentración temporal de la

forma activa biológica de un contaminante en tejidos específicos en el cuerpo. Los estudios de

biomonitoreo se basan en la farmacocinética de diferentes compuestos, lo cual permite

cuantificar en función del tiempo la absorción de: sustancias en tejidos específicos del cuerpo

humano (pulmones, piel, tracto gastrointestinal, etc.), distribución y acumulación de

compuestos, posibles transformaciones y la identificación de las rutas de excreción (8).

Generalmente los químicos que entran al cuerpo humano son metabolizados o

biotransformados en sustancias activas intermedias (9). La concentración y acumulación de un

tóxico activo en determinado tiempo en un tejido específico produce una respuesta celular

destructiva, la cual se manifiesta con un efecto nocivo sobre la salud. La biotransformación es

el proceso más importante del estudio fármaco-cinético, ya que este puede determinar el

destino de los contaminantes orgánicos en el cuerpo (8). Las dinámicas de los biomarcadores

son equivalentes a las dinámicas utilizadas en los fármacos (10), Ver Figura 3.

Factores de susceptibilidad

Exposición

Efectos biológicos tempranos

Alteración estructura/

función

Enfermedad crónica

Dosis Interna

Dosis efectiva Biológica

Intervención Molecular


11

La cinética de los biomarcadores es importante en el diseño y desarrollo de estudios de

impacto de contaminantes del aire sobre la salud humana. Uno de los parámetros que

sintetiza de forma más acertada el comportamiento de un químico en sistemas biológicos es

el tiempo de vida de eliminación (half-life)1, este permite conocer la afinidad del químico en el

sistema biológico de análisis y la eficiencia de los sistemas de eliminación metabólicos y de

excreción.

Los químicos o sus metabolitos muestran un aumento en el half-life dependiendo de la

eficiencia del sistema de eliminación de los principales compartimientos del cuerpo. En los

estudios farmacocinéticos se utiliza el término “compartimiento” para hacer referencia a

todos los órganos, tejidos y células para los cuales las tasas de absorción y evacuación de un

químico son similares (8) .

El half-life es un parámetro importante en los ensayos de biomarcadores, y este depende

principalmente del tiempo de muestreo. Si las muestras son tomadas durante la exposición o

inmediatamente después, el half-life refleja la eliminación desde el compartimiento central

constituido usualmente por la sangre y los tejidos ricos en vasos sanguíneos. Por el contrario,

1 Termino utilizado en farmacología para referirse al periodo de semi desintegración de una sustancia.

CINÉTICA DE BIOMARCADORES

b. Cinética de biomarcadores

a. Cinética de drogas/ingredientes

- Absorción.

- Distribución.

- Metabolismo.

- Excreción.

Ciencia Establecida

Ignorada/inexplorada

- Generación.

- Distribución.

- Metabolismo.

- Excreción.

Figura 3. Cinética de Biomarcadores (10).


12

si las muestras son tomadas después de varios días o semanas de la exposición, half-life

corresponde a la eliminación desde el compartimiento más profundo desde el cual el químico

es eliminado considerablemente más lento (grasa de solventes liposolubles, tejidos pobres en

vasos sanguíneos, riñón e hígado) (8).

Debido a que las enfermedades causadas por exposiciones a sustancias químicas tóxicas se

manifiestan después de muchos años, es importante saber si el biomarcador refleja la

exposición de un periodo corto antes de la muestra o si puede ser integrado a la exposición

durante un periodo de tiempo lo suficientemente largo para ser relacionado con una

enfermedad. En este sentido los biomarcadores se clasifican en 4 categorías:

Biomarcadores de half-life < 12 h

El comportamiento de estos biomarcadores esta caracterizado por respuestas rápidas a

variaciones en el nivel de exposición, haciendo del tiempo una variable crítica que a su vez

depende de las condiciones de exposición. Para estas sustancias que tienen un tiempo de vida

muy corto, si las muestras no son tomadas pocos minutos después de la exposición, se

presenta una reducción de hasta el 50% de la concentración del biomarcador (9). La

concentración de solventes en el aire alveolar y en la sangre está representada en esta

categoría.

Biomarcadores de half-life entre 12 y 100h

Estos biomarcadores tienen una curva de eliminación suave independiente al tipo de

exposición; permitiendo una evaluación integral de la cantidad total de químico absorbido

durante periodos de tiempo no muy cercanos a las muestras. Esta categoría incluye solventes

o metabolitos que presenten una curva de eliminación lenta.

Biomarcadores de half-life entre 100 h y 6 meses

En este tipo de biomarcadores el tiempo no es una variable crítica, ya que estos pueden

integrar la exposición en largos periodos de tiempo y detectar exposiciones previos a largos

periodos de no exposición. Toxinas acumulativas, como metales pesados o químicos lipofílicos


13

y aductos formados con proteínas o ADN son algunos de los que se encuentran en esta

categoría (9).

Biomarcadores de half-life> 6 meses

Estos biomarcadores pueden integrar las exposiciones durante varios años o durante toda la

vida. En esta categoría se encuentran biomarcadores que reflejan la eliminación de sustancias

químicas acumulativas desde los sitos de almacenamiento dentro del cuerpo humano (9).

2.4 ESTUDIOS EPIDEMIOLÓGICOS

Epidemiología es la disciplina que estudia enfermedades en poblaciones humanas y aplica

estos estudios al control de efectos nocivos sobre la salud humana. Los estudios

epidemiológicos se clasifican en descriptivos y analíticos, los cuales cuentan con

procedimientos, métodos y técnicas mediante las cuales la información es colectada,

analizada e interpretada. En la Figura 4 se muestra una clasificación de los estudios

epidemiológicos. Los estudios se diseñan dependiendo de las necesidades y objetivos de cada

investigación y estos a su vez pueden clasificarse en (11):

Estudios descriptivos transversales

Estudios de prevalencia;

Series de casos transversales;

Evaluación de pruebas diagnósticas;

Estudios de concordancia;

Estudios de asociación cruzada;

Estudios longitudinales:

Estudios de incidencia;

Descripción de los efectos de una intervención no deliberada;

Descripción de la historia natural.


14

Estudios analíticos observacionales

Secuencia causa-efecto: Estudios de cohortes (Prospectivos y Retrospectivos)

Secuencia efecto-causa: estudios de casos y controles

Estudios analíticos experimentales

Ensayo clínico aleatorio

Ensayo de campo

Ensayo clínico cruzado


15

Figura 4. Diagrama de clasificación de estudios epidemiológicos (11).

TIPOS DE

ESTUDIOS

Criterios de

Clasificación

SECUENCIA TEMPORAL

FINALIDAD DE ESTUDIO

ESTUDIO DE LOS

HECHOS EN RELACION A

LA CRONOLOGIA

CONTROL DE LA

ASIGNACIÓN DE LOS

FACTORES DE ESTUDIO

Analítico todo estudio que

evalúa relaciones

causa-efecto

DescriptivoNo van enfocados

a buscar relaciones

causa-efecto, sino

que sus datos son

utilizados con un fin

puramente

descriptivo.

TransversalLos datos de cada

unidad de

observación

representan un

momento en el

tiempo

Longitudinal Estudios en los

que existe un

lapso de tiempo

entre variables de

forma que puede

establecerse una

secuencia

temporal entre

ellas. Pueden ser

tanto descriptivos

como analíticos

ExperimentalLos estudios en

los que el equipo

investigador

asigna el factor de

estudio y lo

controla de forma

deliberada según

un plan

establecido

ObservacionalLos estudios en los

que el factor de

estudio no es

asignado por los

investigadores sino

que estos se limitan

a observar, medir y

analizar

determinadas

variables, sin ejercer

un control directo

sobre el factor de

estudio.

ProspectivaSon aquellos cuyo

inicio es anterior a

los hechos

estudiados de

forma que los

datos se recogen

a medida que van

sucediendo.

RetrospectivaEl diseño es

posterior a los

hechos estudiados

de forma que los

datos se obtienen

de archivos o de

los sujetos o los

médicos refieren


16

Los estudios epidemiológicos pueden proveer información muy útil sobre el verdadero impacto

de los contaminantes ambientales sobre la salud, suministrar información primordial sobre

valoración de riesgo y el control de los mismos. Para la determinación de los riesgos a la salud a

causa de contaminantes atmosféricos es importante tanto la exposición como los efectos, sin

información confiable sobre exposición los estudios epidemiológicos disminuyen su utilidad y

eficacia en la valoración de riesgos y la toma de decisiones en salud pública. Los biomarcadores

son ampliamente usados para evaluaciones de exposición de contaminantes atmosféricos. En

la Tabla 1, se pueden observar algunos de los estudios epidemiológicos más utilizados en los

ensayos de biomarcadores (6) (8).

Tabla 1. Ventajas y desventajas de estudios epidemiológicos en los que se han utilizado biomarcadores (12).

VENTAJAS LIMITACIONES ENSAYOS CLÍNICOS

Mayor control en el diseño

Menos posibilidades de sesgos debido a la selección aleatoria de los grupos.

Repetibles y comparables con otras experiencias.

Costo elevado

Limitación de tipo ético y responsabilidad en la manipulación de la exposición.

Dificultades en la generalización debido a la selección y o a la propia rigidez de la intervención.

ENSAYOS DE COHORTES

Estiman incidencia

Mejor posibilidad de sesgos en la medición de la exposición.

Coste elevado

Dificultad en la ejecución

No son útiles en enfermedades raras.

Requieren generalmente un tamaño de muestra elevado

El paso del tiempo puede introducir cambio en los métodos y criterios diagnósticos.

ESTUDIOS DE CASOS Y CONTROLES

Relativamente menos costosos que los estudios de seguimiento.

Corta duración.

Aplicaciones para el estudio de enfermedades raras.

Permite el análisis de varios factores de riesgo para una enfermedad.

No estiman directamente la incidencia.

Facilidad de introducir sesgos de selección y/o información.

La secuencia temporal entre exposición y enfermedad no siempre es fácil de establecer.


17

VENTAJAS LIMITACIONES ESTUDIOS TRANSVERSALES

Fáciles de ejecutar.

Relativamente poco costosos.

Se pueden estudiar varias enfermedades y/o factores de riesgo a la vez.

Caracterizan la distribución de la enfermedad respecto a diferentes variables.

Precisan poco tiempo para su ejecución.

Útiles en la planificación y Administración Sanitaria (Identifican el nivel de salud, los grupos vulnerables y la prevalencia).

Por sí mismos no sirven para la investigación causal.

No son útiles en enfermedades raras ni de corta duración.

Posibilidad de sesgos de información y selección.

2.5 MATERIAL PARTICULADO

El material particulado (PM) es una mezcla de partículas solidas y liquidas que se encuentran

suspendidas y dispersas en el aire las cuales varían su composición dependiendo de la fuente

de emisión y las condiciones meteorológicas. El PM puede provenir de diferentes fuentes de

tipo natural o antropogénica clasificadas en la Tabla 2.

Tabla 2. Fuentes de material particulado (13).

FUENTE

NATURAL ANTROPOGÉNICA

Polvo del suelo

Sal marina

Polvo volcánico

Incendios forestales

Condensación gas-partícula2

Fotoquímica3

Emisiones directas por fuentes

móviles o fijas.

Condensación gas-partícula 4

Fotoquímica5

2 Incluye sulfato a partir de SO2 y H2O, sales de amonio a partir de NH3 y nitrato a partir de NOx. 3 Principalmente partículas formadas a partir de isopireno y vapores de monoterpenos de los arboles. 4 Incluye sulfato a partir de SO2 y nitrato a partir de NOx.


18

Generalmente las partículas se caracterizan físicamente por tamaño, densidad y forma, y

químicamente por su composición. Los efectos sobre la salud se relacionan generalmente con

el tamaño y la composición.

La distribución de tamaños de partículas en el aire ambiente urbano es complejo debido a que

este es una mezcla de partículas de diferentes fuentes, y el tamaño de estas partículas puede

ser modificado dependiendo del proceso de crecimiento, evaporación y remoción (13). El

tamaño de las partículas puede ser medido como el tamaño efectivo o como tamaño

aerodinámico. El tamaño aerodinámico se establece a partir de la velocidad de sedimentación

de la partícula el cual depende a su vez del diámetro aerodinámico. A partir del diámetro

aerodinámico se determina el tiempo de suspensión en el aire y la capacidad de cada partícula

de entrar al sistema respiratorio humano, entre menor sea el tamaño de la partícula mayor es

la distancia que puede ser transportada desde la fuente y mayor es la profundidad de

penetración en el interior de cuerpo humano, generalmente hacia los pulmones. Las partículas

se clasifican según tamaño en 3 modos, Ver Tabla 3, los cuales dependen del rango de tamaño,

los mecanismos de formación y la composición:

Modo de nucleación: partículas de tamaño<0.1 μm, con mayor densidad entre 5-

15nm, estas partículas son principalmente provenientes de procesos de combustión

emitidas directamente y partículas formadas por condensación. El tiempo de

residencia de estas partículas en la atmósfera es de horas debido a que se aglomeran

rápidamente con otras partículas, aumentando así su tamaño, o sirven como núcleo

para la formación de nuevas gotas (13). Este modo de formación de partículas depende

de la concentración del gas precursor, de la humedad relativa y de la temperatura. Los

gases con capacidad de formación de partículas por nucleación homogénea en el aire

son H2SO4, NH3 y H2O (14).

Modo de acumulación: partículas de tamaño entre 0.1-1 μm, con mayor densidad de

numero de partículas entre 150-250nm. Este modo incluye partículas de combustión,

smog y partículas de modo de nucleación que se aglomeran y aumentan de tamaño

5 Principalmente partículas formadas a partir compuestos orgánicos volátiles de origen Antropogénico.


19

debido a las reacciones en fase líquida que tienen lugar en gotas de agua. Tanto las

partículas del modo de nucleación como las partículas de modo de acumulación hacen

parte de la categoría de partículas finas. En este grupo también se encuentran

partículas muy finas de polvo de suelo (13).

Modo grueso: partículas de tamaños mayores a 1 μm, de origen antropogénico,

generalmente de procesos mecánicos antropogénicos, de origen geológico como

polvo, sal marina y partículas de minas superficiales. Debido a su tamaño el tiempo de

residencia de estas partículas es de horas o de algunas semanas (13). Esta categoría se

subclasifica en términos de calidad de aire en: PM10 o fracción respirable (partículas

con diámetros menores a 10 micras) y PM2.5 ó fracción fina (partículas con diámetro

entre 1 micra y 2.5 micras) (15). En la Figura 5, se observa la clasificación del material

particulado en función del diámetro aerodinámico y el modo. Adicionalmente, en la en

la Tabla 3 se observa sintetizada la clasificación de material particulado por tamaño en

términos de calidad de aire.

Figura 5. Distribución del PM por tamaño y modo (15).


20

Tabla 3. Clasificación de PM por tamaño (13).

CLASIFICACIÓN

GENERAL

MODO TAMAÑO

(µm)

ALCANCE EN EL SISTEMA

RESPIRATORIO

FINOS Nucleación

(ultrafino)

PM<0.1 Sistema respiratorio hasta los

bronquios, causando irritación

Acumulación (fino) 0.1<PM<

2,5

Profundamente en los pulmones

GRUESOS Grueso PM<10 Partículas respirables ≤10 μm

La fracción de finos está compuesta principalmente por polvo que se encuentra suspendido

debido a disturbios mecánicos de material granular como arena y polvo de vías, procesos de

agricultura, construcción y procesos naturales. Además algunas operaciones industriales como

pulverización, demoliciones y transporte o manipulación de materiales, contribuyen también a

la fracción gruesa. Las partículas finas provienen principalmente de procesos de combustión y

se clasifican en primarias y secundarias. El PM primario se forma a partir de PM que es emitido

en fase sólida y el PM condensable que es emitido en gases de combustión a altas

temperaturas (16), el cual está compuesto por elementos semi-volátiles que forman aerosoles

orgánicos. Por otra parte, el material particulado (PM) secundario, se forma a partir de

reacciones en fase gaseosa con diferentes compuestos presentes en la atmósfera (sulfatos,

nitratos, amonio, carbón orgánico, carbón elemental, metales pesados y polvo fino) (17). El

tamaño es la característica física más importante en la evaluación de riesgos a la salud, en la

Figura 6, se observa la distribución de material particulado en el sistema respiratorio en

función del tamaño.


21

Figura 6. Alcance de PM en el sistema respiratorio en función del tamaño.

Del mismo modo, la caracterización química es también de gran importancia dado que esta

tiene efectos sobre el tamaño, la densidad, la volatilidad, la reactividad y la toxicidad de la

partícula (17). Debido a los múltiples constituyentes del material particulado este se considera

una mezcla compleja, en la Figura 7, se muestran las diferentes rutas de generación de de PM

en la atmósfera.

Los compuestos orgánicos que se encuentran comúnmente en el PM en ambientes exteriores

son: compuestos aromáticos policíclicos (PHA’s) provenientes principalmente de combustión

de material fósil; compuestos oxigenados como ácidos, cetonas, aldehídos, ésteres y fenoles,

los cuales pueden formase a partir de reacciones de oxidación en la atmósfera o ser emitidos

por fuentes directas; compuestos nitrogenados, compuestos halogenados y compuestos

azufrados, entre otros. Los compuestos inorgánicos presentes generalmente en material

particulado son sulfatos, amonio, iones nitrato, material con carbono, plomo (Pb), arsénico

(As), selenio (Se), cadmio (Cd), zinc (Zn), Hierro (Fe), calcio (Ca) y sílice (Si).


22

Figura 7. Formación de PM en la atmósfera (17).

En general se encuentran similitudes de entre los componentes mayoritarios del material

particulado atmosférico y de aquellos que se encuentran en trazas en el material particulado

atmosférico en países en desarrollo alrededor del mundo. De manera contraria, los países

desarrollados debido a los altos niveles de polución presentan diferencias significativas en las

concentración de contaminaste en el material particulado de otros países (18). En la Tabla 4, se

observan algunas características de material particulado para diferentes ciudades.


23

Tabla 4. Composición (%) de componentes mayoritarios del material particulado para diferentes ciudades. (18)

3. CARACTERIZACIÓN DE MATERIAL PARTICULADO

3.1 PM de Combustión

Históricamente la combustión de carbón ha sido asociada con síntomas respiratorios y de

mortalidad (19), los cuales se deben principalmente a periodos de exposición relativamente

cortos a altas concentraciones. El carbón es utilizado principalmente para uso residencial,

calentamiento industrial, generación de energía y en múltiples proceso industriales. Las

emisiones de carbón dependen de la naturaleza del mismo, generalmente la estructura del

carbón es de tipo polimérica con núcleos de anillos aromáticos, adicionalmente contiene


24

aproximadamente 0.5-5% de azufre, 1.5% de nitrógeno, elementos volátiles y algunos

minerales que generan entre 5-30% de cenizas (20). Cuando la combustión no es completa se

forma hollín y material particulado, así como sustancias aromáticas tóxicas, monóxido de

carbono, VOC´s (compuestos orgánicos volátiles), óxidos de nitrógeno NOx, óxidos de azufre

SOx y gran cantidad de cenizas de alto contenido de carbón residual. En el caso contrario

cuando se presenta combustión completa se obtiene principalmente bióxido de carbono, agua,

SOx, NOx y cenizas sin carbón residual. Algunos estudios (21) (22) (23) (24) , han demostrado

que las fracciones neutrales de aromáticos que contienen hidrocarburos policíclicos aromáticos

PAHs son responsables por la fracción predomínate de la actividad mutagénica de las

emisiones de combustión del carbón. En algunos procesos industriales que utilizan hornos de

carbón se pueden formar además de los PAH, compuestos como aminas aromáticas y

compuestos aromáticos heterocíclicos (19). Estudios realizados en diferentes ciudades de

Estados Unidos han encontrado que la mayor fuente de generación de partículas finas es la

combustión del carbón (25), siendo estas las mayores contribuyentes de la masa del PM 2.5,

seguido por los sulfatos. Las partículas emitidas por la combustión del carbón se encuentran en

tamaños entre 0.8 y 2 µm (26), lo que hace que tengan largos tiempos de residencia debido a

su tamaño pequeño y participen en reacciones que generen PM secundario.

Por otra parte la mayor fuente de polución urbana son las emisiones de los diferentes tipos de

transporte que funcionan con combustibles fósiles como gasolina y diesel, siendo este último el

mayor contribuyente de las emisiones de PM. Las concentraciones típicas a las cuales las

poblaciones humanas están expuestas varían desde 1-10 μg/m3, para áreas urbanas, hasta

valores superiores a 1 mg/m3 en operaiones subterráneas de minería (27). Otros estudios

realizados señalan que la concentración media en exposiciones de tipo ocupacional puede

variar entre 4 μg/m3 para conductores de buses y camiones hasta 170 μg/m3 para trabajadores

de minas (27). Debido a las regulación que actualmente existen en las zonas urbanas para

emisiones de PM, la magnitud de las exposiciones de material particulado en los ambientes

urbanos es baja en comparación con las exposiciones ocupaciones, razón por la cual en las

últimas décadas se ha incrementado el estudio sobre los efectos de exposiciones de PM en

ambientes ocupacionales (28).


25

Entre los combustibles fósiles más usados (diésel y gasolina), aproximadamente la quema de

diésel emite 100 veces más carbón elemental (EC)6 y 20 veces más carbón orgánico por milla

que los motores a gasolina (19). Adicionalmente las partículas emitidas por los motores de

gasolina y las de diésel difieren en la temperatura de emisión de carbón orgánico (OC)7 (29), en

las especies orgánicas moleculares (30) y en la cantidad de compuestos mutagénicos (31).

Debido a la baja emisión de material particulado de los motores de gasolina en comparación

con los motores diésel, este último es el más estudiado en la literatura; una distribución

general de sustancias en el material particulado proveniente de combustión de diésel se

muestra en la Figura 8.

Figura 8 . Distribución general de la composicion de PM de diésel (32).

La caracterización del PM está sujeta a la fuente de emisión del mismo, la calidad de las

partículas emitidas por combustión de diésel dependen tanto de la eficiencia del combustible

como la vida de servicio de los equipos. Las partículas emitidas por combustión de diésel son

de dos tipos (33): a) aglomerados de partículas primarias entre 15-30 nm de diámetro,

compuestas de carbón elemental y trazas de cenizas metálicas, y un núcleo con compuestos

condensados orgánicos pesados y sulfatos, y b) nucleación de partículas, compuestas de

hidrocarburos condesados y sulfatos.

6 EC por sus siglas ingles Elemental Carbon 7 OC por sus siglas en ingles Organic Carbon

Otros25,73%

Metales1,27%

OC25%

EC48%


26

Múltiples estudios de análisis de metales en el material particulado muestran que los

elementos más comúnmente encontrados son plomo(Pb), cadmio(Cd), níquel(Ni), cromo(Cr),

vanadio(V), manganeso(Mn), cobre(Cu) y hierro(Fe), aunque estos varían en concentración y

distribución de tamaño depende del lugar donde se analiza, de la naturaleza de la emisión y de

transformaciones químicas, y en lugares específicos pueden encontrase otros metales

dependido de el origen en las emisiones. Los metales en el PM hacen parte de la masa total del

material particulado en cualquiera de sus 3 modos. Por ejemplo metales como Pb (0.96 ± 0.71

μm) y Cd (1.14± 0.82 μm) se encuentra comúnmente en las partículas de modo de

acumulación, los metales como Ni (1.45 ± 0.88 μm) ,Cu (2.04± 0.77 μm) y Mn (2.61 ± 1.23 μm)

se distribuyen entre partículas finas, intermedias y gruesas, y metales como el Fe (3.82 ± 0.88

μm) que se encuentra mayoritariamente en partículas con diámetros mayores a 2.7 μm. (34).

La partículas pueden formase durante la combustión y/o cuando se condesan los vapores, lo

cual indica que tanto el motor como las condiciones del ambiente determinan la fracción de los

compuestos semi volátiles del material particulado, tanto en la fase gaseosa como en la fase

sólida.

3.2 PM re-suspendido

Las altas concentraciones de material particulado cerca de las vías pueden provenir de

diferentes fuentes primarias como se explico anteriormente. Las fuentes combustibles son

unas de las principales, sin embargo existen otras fuentes como el freno de las llantas y el

polvo re-suspendido de las vías, la cuales también contribuyen en la concentración global de

material particulado (35). El polvo re-suspendido repetidamente, de origen natural o humano,

debido a la acumulación en diferentes sitios del ambiente se llama polvo re-suspendido o

material particulado re-suspendido. El material re-suspendido es generalmente de origen

geológico, es un conjunto de materiales duros, de forma estable e inerte que se encuentran

principalmente en el suelo y en los cementos que se emplean en la fabricación del mortero y

del hormigón.


27

El comportamiento del PM re-suspendido como agente tóxico depende tanto de la calidad

física como de la composición química. La forma de la mayoría de las partículas presentes en el

material particulado re-suspendido tiene forma aproximadamente esférica, sin embargo se

encuentran algunas fibras alargadas de asbesto las cuales debido a su estabilidad y su rigidez

mecánica dañan las células que intentan penetrar, causando un efecto cancerígeno (36), el

tamaño como se ha mencionado anteriormente en una característica física muy importante y

el PM re-suspendido es el mayor contribuyente de la fracción gruesa del material particulado

con tamaños entre 2.5μm-10μm (37).

La toxicidad del material particulado depende principalmente de su composición química y el

material particulado re-suspendido está compuesto principalmente por minerales como:

magnesio (Mg), sílice (Si), aluminio(Al), potasio (K), sodio (Na), calcio (Ca), hierro (Fe), titanio

(Ti) y carbonatos de calcio (37), y si los sitios estudiados se encuentran cerca de zonas marinas

se pueden encontrar elementos como sodio (Na) y cloro (Cl) (35). Los valores de concentración

de PM re-suspendido en PM 10 y PM 2.5 se encuentran entre 1.7-3.9 μg/m3 y 1.3-4.7μg/m3

respectivamente (35), y estos varían principalmente según la meteorología del lugar.

Adicionalmente, algunos estudios señalan que el nivel de Sílice cristalina en el PM10 puede

encontrarse entre 3.3-7.8% (38).

Investigaciones han encontrado que para que estos minerales tengan un efecto nocivo sobre la

salud, la exposición debe ser prolonga y a altas concentraciones(a excepción de los asbestos)

(36), las concentraciones elevadas se reportan frecuentemente en ambientes ocupaciones,

más que en ambientes exteriores. La sílice en forma cristalina es uno de los minerales mas

estudiaos en la literatura (39) (40), principalmente en ambientes ocupacionales debido a sus

alta citotoxicidad (38).

Uno de los ambientes ocupacionales relacionados con PM re-suspendido reportado en la

literatura es el caso de la fabricación de kiln brick. Las evaluaciones ocupaciones de este

proceso se centran en las emisiones de material particulado, PM10 y PM2.5, reportando


28

concentraciones de PM extremadamente altas para PM10, de 200 a varios miles de μg/m3, y en

el caso del humo, las partículas PM2.5 reportan un 70% o más del nivel de PM10 (41), (42).

4. TOXICIDAD DEL MATERIAL PARTICULADO

Correlaciones entre altas concentraciones de material particulado e índices de morbilidad y

mortalidad se encuentran ampliamente reportadas en la literatura (43) (44) (45) (46), estos

estudios evidencian muertes prematuras causadas por exposiciones a PM de largo y corto

termino, principalmente de finos (PM2.5) debido a su habilidad de acumulación y de

transporte hasta las regiones más internas de los sistemas respiratorios (47). En la Figura 9, se

presentan algunos de los resultados reportados en los estudios.

Por otra parte, estudios de morbilidad han demostrado que el material particulado urbano

tiene efectos adversos sobre la salud, estos estudios señalan que la exposición a largo plazo

incrementa el riesgo de padecer cáncer de pulmón, enfermedades respiratorias y

arterosclerosis, mientras que las exposiciones de corto plazo o picos, causan la exacerbación de

diferentes enfermedades respiratorias como asma y bronquitis, así como cambios en la

variabilidad del rito cardiaco (48) (49) (50).

Al comienzo de la década de los noventa Schwartz et al. aplicó métodos estadísticos que

fueron capaces de demostrar los efectos del material particulado en la salud, en

concentraciones que hasta el momento se consideraban seguras. La hipótesis inicial de los

estudios planteaba que debido a las características de la superficie del PM (carbón elemental

principalmente), múltiples sustancias podían adherirse a este y convertirse en un agente

trasportador hasta los diferentes sistemas internos del cuerpo humano (respiratorio,

sanguíneo, entre otros). Desde entonces esta hipótesis ha permitido el desarrollo de múltiples

estudios epidemiológicos, los cuales como se observa en la Figura 9, a concentración bajas de

PM no reportan relaciones significativas con mortalidad, indicando que las muertes prematuras

asociadas con PM pueden presentarse mayoritariamente en ambientes ocupacionales, donde

es más frecuente encontrar concentraciones altas, y no en el ambiente exterior donde las


29

concentración pueden ser relativamente baja y donde las mediciones son complejas debido a

las múltiples variables como: que patrones de alimentación, polimorfismos genéticos, edad,

comportamientos e intervenciones farmacológicas, entre otros; pueden influenciar la magnitud

de la respuesta de los individuos a la exposición.

Figura 9.Relación de PM y mortalidad en análisis de cohorte (46).

Los incrementos en la morbilidad están relacionados con: problemas cardiacos y respiratorios,

decrecimientos en la capacidad pulmonar de niños y adultos con enfermedades de obstrucción

de las vías respiratorias, incrementos en la prevalencia diaria de síntomas respiratorios en

niños y adultos, y efectos a largo plazo como daños a nivel de genotipo. De igual forma, los

efectos sobre la salud, también tienen implicaciones indirectas en factores socioeconómicos

como: incrementos en las limitaciones funcionales reflejadas en la ausencia a centros

educativos o restricción de actividades diarias, incrementos en las visitas a los departamentos

físicos y de emergencia por casos de asma y otras condiciones respiratorias (47).

Los efectos sobre la salud dependen de la naturaleza de emisión del material particulado, de

las características propias del individuo receptor, de los tiempos de exposición y sobre todo de

las concentraciones del contaminante, lo anterior expresado generalmente en función de la

dosis-repuesta (D-R). Este indicador permite correlacionar mortalidad y morbilidad de

poblaciones susceptibles a contaminantes atmosféricos específicos (47). La Tabla 5, representa

un resumen de los impactos a la salud expresada en función de la dosis-respuesta de: PM10,


30

PM2.5, BS (black smoke) y TSP (Total suspended particles) a partir de una recopilación de

múltiples estudios alrededor del mundo (51).

Tabla 5. Impactos sobre la salud de PM 10, PM 2.5, BS, TSP, en función de dosis-respuesta (51).

Sin embargo algunos de los estudios de la Tabla 5, asumen toxicidad igual para todo el material

particulado sin distinguir la fuente de contaminación o la composición química, lo cual impide

realizar una selección por componente, y entonces debe entenderse que la toxicidad está

referida a la capacidad generalizada del PM a tener efectos sobre la saludad humana.

Como se ha mencionado anteriormente el material particulado está compuesto de múltiples

elementos y sustancias, las cuales se ven afectadas principalmente por la naturaleza de las

emisiones y las condiciones meteorológicas, las propiedades del PM que pueden presentar

variaciones geográficas que influyen sobre la toxicidad de las partículas son (52):

Composición química de los elementos mayoritarios en la masa total: sulfatos, nitratos,

amonio, cloro, carbón elemental y orgánico, materiales de origen geológico, materiales

biológicos.


31

Contenido de elementos que se encuentran en trazas: metales principalmente como plomo

(Pb), cadmio (Cd) y mercurio (Hg) en dosis medibles.

Contenido de ácidos fuertes: ácido nítrico y ácido sulfúrico, estos se forman cuando

ocurren los procesos de oxidación para la formación de nitrato y sulfato. Sin embargo para

que estos ácidos se incorporen a las partículas necesitan de condiciones muy específicas

(52).

Contenido de sulfatos: Algunos estudios han encontrado que es uno de los mayores

componentes de la masa de PM2.5 (52).

Las sustancias de alta toxicidad encontradas en el material particulado están relacionadas

frecuentemente con partículas finas de origen de combustión (Transporte e industrial), estas

partículas están compuestas principalmente de metales, hidrocarburos y partículas secundarias

formadas a partir de reacciones químicas con compuestos gaseosos presentes en la atmósfera.

Las partículas finas son menores de 2.5μm en diámetro, tienen un porcentaje alto del total de

la masa en partículas de 0.5μm (50) y tienen una superficie relativamente grande para

adsorber compuestos aromáticos policíclicos (PAH) (53) (50), los cuales varían en

concentración dependiendo del tipo de PM: urbano, industrial o rural. Algunos estudios no han

encontrado diferencias significativas en el contenido de PAH entre material grueso y fino

urbano, pero reportan diferencias significativas entre la concentración de PAHs en material

particulado ultrafino urbano y rural (54). Además se he encontrado que los PAHs y sus

derivados son formados durante la combustión, mientras que, los metales precursores de

radicales libres son generados por los materiales utilizados en los equipos de control de

emisiones como los catalizadores (50).

Los hidrocarburos generados en procesos de combustión son principalmente hidrocarburos

aromaticos policíclicos (PHA’s), algunos de los cuales son carcinogénicos como:

benzo(a)antraceno, benzo(k)fluoranteno, benzo(a)-pireno, benzo(b)fluoranteno, indeno(1,2,3-

cd)pireno y dibenzo(ah)antraceno, y algunos son mutagénicos como los derivados de los mono-

y di-nitro PAH’s. Los PAH’s se han encuentrado en muestras de hollín de diésel, emisiones de

automóviles, cenizas de carbón, y en aire contaminado (50). Algunos de los nitro-PAH como: 1-


32

nitropireno, 3-nitrofluoranteno, y algunos dinitropirenos han sido identificados como sustancia

potencialmente mutagénicas (55). Estos compuestos orgánicos se encuentran en mayor

proporción en las partículas generadas por motores diésel en relación a las partículas de otros

combustibles como carbón. Aunque el PM de quema de carbón reporta contenidos de

aromáticos nitrogenados, aminas aromáticas y compuestos orgánicos heterocíclicos, estudios a

nivel celular han encontrado que el material particulado proveniente de estas quemas son

potencialmente menos peligrosos que las partículas provenientes de quema de Diésel (56).

Las partículas emitidas por los motores diésel reportan elevadas concentración de PAH,

metales y una alta capacidad de generación de raciales (50), esto debido a que la superficie de

las partículas emitidas por motores diésel tienen gran capacidad de absorción de PAH’s y nitro-

PAH’s (33). Los PAHs están asociados a diversas repuestas biológicas, incluyendo peroxidación

de lípidos y estrés oxidativos, liberación de citoquinas, niveles elevados de fibrinógeno en

plasma, y cambios en la presión sanguínea/vascular. Los PAH y sus derivados son formados

durante la combustión, mientras que los metales precursores de radicales libres, son

generados por los materiales utilizados en los equipos de control de emisiones como los

catalizadores (50).

Compuestos mutagénicos específicos como: como 1-nitropireno y benzo[a]pireno, han sido

encontrados en el PM diésel, así como fracciones polares de PAHs y Nitro-PAHs, los cuales han

sido determinado como compuestos mutagénicos (57). En la Tabla 6, se pueden observar los

compuestos típicos presentes en el material particulado generado en procesos de combustión

de motores diésel, los cuales tienen efectos nocivos en la salud.


33

Tabla 6 .Compuestos típicos de PM en emisiones de diésel (27).

Como se ha mencionado anteriormente los metales hacen parte de la masa total del PM y sus

efectos sobre la salud humana se encuentran reportados ampliamente en la literatura. Metales

como el plomo, el cadmio y el mercurio son altamente tóxicos, y aunque en varios países del

mundo el plomo es todavía un elemento presente en los combustibles, actualmente estos no

representan un problema de estudio en los países desarrollados, debido a que las fuertes

regulaciones ambientales han generado una reducción significativa en la contracción de estos

en el aire ambiente, obteniendo niveles que no se consideran potencialmente tóxicos

mediante los mecanismos clásicos de toxicidad (58). Sin embargo, estudios recientes sugieren

que los metales de transición (hierro, vanadio, níquel) y en especial el hierro, es

potencialmente tóxico debido a que este es promotor de radicales hidroxilos (OH-) (58). Los

radicales hidroxilos son muy reactivos, pueden reaccionar con lípidos, proteínas, ADN e

hidratos de carbono provocando así oxidaciones múltiples de compuestos celulares,

produciendo lo que se denomina daño oxidativo mediante reacciones en cadena. Los metales

COMPONENTE EMITIDO

PRODUCTOS DE REACCIONES

ATMOSFÉRICA

IMPACTO BIOLÓGICO

Carbón elemental - El núcleo adsorbe compuestos orgánicos.

El tamaño permite transporte hasta los pulmones (alveolos).

Sulfato inorgánico - Irritación del sistema respiratorio

Hidrocarburos (C14-C35)

Aldehídos, cetonas y alkyl- nitratos

Desconocidos

PAH's (≥4 anillos) Nitro-PAH's (≥4 anillos) Nitro-PAH's lactones

Cadenas largas de PAH's son los mayores contribuyentes de carcinogénicos. Varios Nitro-PAH's son potencialmente mutagénicos y carcinogénicos.

Nitro-PAH's (≤3 anillos)

Derivados de los Hydrosilated-nitro

Varios Nitro-PAH's son potencialmente mutagénicos y carcinogénicos. Algunos productos de reacciones son mutagénicos en bacterias.


34

se asocian a problemas pulmonares, sistémicos y cardiovasculares; pueden producir

alteraciones en el ritmo cardiaco y desarrollar arritmias cardiacas.

Respecto a los sulfatos, aunque algunos estudios toxicológicos (43), (59), han encontrado

correlaciones entre la concentración es de sulfatos y tasas de mortalidad, así como

correlaciones entre sulfatos y la formación de material particulado fino, se considera que los

efectos sobre la salud humana se presenta en concentraciones de mg/m3, lo cual es algunos

órdenes de magnitud mayor que los encontrados en el aire ambiente (varia de ciudad a

ciudad, tanto en PM10 como en PM2.5) y sus efectos sobre la salud se presentan

principalmente en las funciones pulmonares.

5. BIOMARCADORES PARA MATERIAL PARTICULADO

Los biomarcadores son utilizados como evaluadores de riego a la salud, para diagnósticos

clínicos y para monitoreo. Uno de los objetivos principales de los estudios con biomarcadores

es evaluar los riesgos de la cadena exposición-enfermedad, identificando sustancias y

condiciones ambientales peligrosas y prediciendo los riegos de estos sobre la salud humana. En

la Figura 10, se observan los biomarcadores utilizados en la evaluación de riegos desde la

exposición hasta el desarrollo de la enfermedad.

EXPOSICION

Total

Carga

Cuerpo

Dosis a tejido

objetivo

Excreta

Tejido no

objetivo

Dosis efectiva

Biológica

Aductos

macromoleculares

no efectivos

Cambios

bilógicos

iniciales

Celulas u organelos

no objetivo

Reparacion

Lesiones

preclinicas

Lesiones

clinicas

Excrecion

reparadora

Respuesta

Psicologica

Reparacion

MARCADORES BIOLOGICOS

DE DOSIMETRIA

MARCADORES BIOLOGICOS

DE EFECTO

Figura 10. Cadena exposición-enfermedad, evaluación de riesgos (60).


35

Como se ha señalado en capítulos anteriores, varias investigaciones han encontrado que el PM

y sus componentes son agentes nocivos para la salud humana, incluso han sido asociados con

procesos carcinogénicos, encontrando así en el uso de biomarcadores un método importante

de monitoreo y evaluación de los agentes tóxicos en contacto con el cuerpo humano. Lo

anterior se debe en gran parte a que los biomarcadores pueden cuantificar los eventos

biológicos que permiten diferenciar entre condiciones biológicas normales y anormales a

través de: agentes contaminantes y/o sus metabolitos químicos inusuales, cambios genéticos y

alteraciones en la expresión de genes, proteínas y bases.

Los biomarcadores han sido principalmente utilizados es estudios epidemiológicos de cáncer y

enfermedades mutagénicas. Sin embargo en la última década se ha incrementado su utilización

en estudios de medicina ambiental y ocupacional relacionados con agentes tóxicos. Es

importante mencionar que:

Los biomarcadores pueden ser valiosos para reducir las incertidumbres de la

evaluación de riesgos de una enfermedad causada por la exposición a un químico.

Los estudios de los mecanismos de inducción de enfermedades por químicos, proveen

información útil para la selección apropiada de la biomarcadores de dosis biológica

efectiva.

Las investigaciones deben establecer cuantitativamente las relaciones entre los niveles

de los biomarcadores presentes y el grado de exposición previa, así como la

predictibilidad de los efectos sobre la salud.

Como se ha mencionado anteriormente los biomarcadores pueden ser clasificados

dependiendo de su uso:


36

Tabla 7. Clasificación de biomarcadores por uso.

BIOMARCADORES DE

EXPOSICIÓN

BIOMARCADORES DE

EFECTO

BIOMARCADORES DE

SUSCEPTIBILIDAD

Confirmar o evaluar la

exposición de individuos o

poblaciones a una sustancia

especifica, ligando la

dosimetría externa e interna.

Pueden ser utilizados como

reporte de alteraciones

preclínicas o de efectos

nocivos causados por la

exposición externa y la

absorción de un químico. Por

tanto ligar los biomarcadores

entre la exposición y los

efectos contribuye a la

definición de la relación

dosis-respuesta.

Miden la tendencia individual

a desarrollar una enfermedad

a un nivel de exposición dado.

Es importante la identificación del tipo de biomarcador que se necesita para llevar a cabo los

objetivos de las investigaciones correspondientes. En el material particulado la identificación

de biomarcadores de dosis interna asociado con PM es difícil, debido a la naturaleza física,

química y biológica compleja de la composición del PM, además porque los constituyentes no

han sido determinados en su totalidad. Los estudios de biomarcadores de PM estudian

principalmente carbón elemental, carbón orgánico (principalmente PAHs) y metales. Algunos

estudios de biomarcadores para PM, no son generales para este, por el contrario se estudian

sustancias especificas presentes en la fracción particulada de interés o sus metabolitos una vez

absorbidos en el cuerpo. Como se ha mencionado anteriormente las características del PM

dependen de las fuentes de emisión y de las características meteorológicas del lugar de

emisión, sin embargo en la literatura se encuentran estudios en su mayoría de PM de origen de

combustiones incompletas de diésel y carbón elemental, y de compuestos especificaos

presentes en este tipo de PM, así como de algunos elementos de PM re suspendido como

metales. Anqué los estudios se realizan tanto en aire ambiente como en espacios

ocupacionales, la mayoría de estos se han realizado en ambientes ocupacionales donde las


37

concentraciones son mayores y se encuentra una relación positiva entre exposición y efectos

nocivos. Las sustancias más estudias son el carbón elemental del PM y sustancias como

Hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs), nitro-Hidrocarburos aromáticos policíclicos

(nitro-PAHs) y metales.

5.1 Biomarcadores de Exposición

Estos biomarcadores estiman la exposición de forma cualitativa y cuantitativa mediante

mediciones o modelos. Las mediciones de las concentraciones de los agentes contaminantes

pueden realizarse en ambientes u objetos externos a los individuos (comida, agua, aire etc.) o

directamente en estos, obteniéndose así evidencia directa de un agente específico y de su

dosis absorbida. Este tipo de biomarcadores puede reflejar la distribución del agente químico o

su metabolito en el organismo.

Los métodos principales de evaluación a la exposición a un químico se dividen principalmente

en:

medición de los niveles de los agentes químicos y sus metabolitos y/o derivados en

células, tejidos, fluidos corporales o excretas.

Mediciones de repuestas biológicas a nivel celular y cambios fisiológicos reversibles en

los individuos expuestos.

La combinación de los métodos a y b (aductos de proteína o aductos de ADN)

En la Figura 11 se observa el desarrollo de los biomarcadores de exposición en la cadena

exposición-enfermedad. En esta se puede observar que únicamente una proporción pequeña

de la dosis absorbida actuará como dosis biológica efectiva. También se puede observar que la

dinámica de la dosis interna decrece a medida que se distribuye y se metaboliza, minimizando

así la dosis efectiva que alcanza un tejido o célula objetivo, o un sitio critico, razón por la cual

es compleja la asociación entre exposición y dosis efectiva a medida que la sustancia penetra

los tejidos más profundos. Para evaluar la dosis interna es importante conocer la cinética de


38

formación y remoción de este tipo de biomarcadores para encontrar de manera acertada la

relación dosis-respuesta. La dosis interna puede ser medida a:

Especies químicas activas (mismo compuesto o metabolitos) que se encuentren en

tejidos o células objetivo. Ej. Cuantificación de los enlaces covalentes de especies

reactivas con macromoléculas.

Especies químicas reactivas que se encuentren en organelos o macromoléculas

objetivo. Ej. Cuantificación de aductos totales de ADN.

Especies químicas reactivas que participen en reacciones bioquímicas. Ej.

Cuantificación de aductos específicos de ADN o especies biológicas efectivas que

inciden en procesos carcinogénicos.

Figura 11.Progresión de la acción de los biomarcadores de dosis interna hasta el nivel molecular de dosis efectiva.

El parámetro de half-life es muy importante, y este depende de la cinética de formación y de

descomposición del biomarcador. Por ejemplo, los químicos que son eliminados rápidamente

como los vapores en el aire exhalado o los metabolitos urinarios, pueden presentar grandes

cantidades durante o inmediatamente después de la exposición, pero no son detectables

tiempo después. Otros biomarcadores, como los aductos formados con las proteínas de la


39

sangre, pueden representar solo una fracción pequeña de la dosis interna total, pero debido a

que tienen un half-life largo en el cuerpo, pueden acumularse hasta niveles detectables con

exposición continua. En la Figura 12 se observan relaciones hipotéticas entre biomarcadores de

exposición con respecto a sus niveles y tiempo de reparación después de una única dosis. A

partir de este tipo de datos sobre las propiedades cinéticas es posible definir exposiciones

anteriores. Por ejemplo, si una persona ha sido sometida a una única y reciente exposición a

un químico, los niveles de biomarcadores con corta half-life serán relativamente en

comparación con aquellos que tienen un half-life largo. Por el contrario si la exposición es

continua, los niveles de biomarcadores tanto de half-life corta y larga deben ser altos. Si una

persona fue expuesta con anterioridad, solo los biomarcadores de half-life larga serán

detectables.

Figura 12. Relaciones de diferentes biomarcadores con niveles y tiempo de aparición después de una única dosis.

Los estudios de la cinética de biomarcadores para material particulado se han realizado para

algunas sustancias que han sido inidentificadas comúnmente en el PM de diferentes lugares,

encontrando así biomarcadores que pueden representar la exposición y la dosis efectiva

biológica de la exposición de estas sustancias.


40

Los PAHs son formados durante procesos de combustión incompleta, son considerados como

los principales causantes de actividades mutagénicas indirectas (61) y han sido identificados

como biomarcadores de exposición reciente a material particulado. La sustancia comúnmente

utilizada como parámetro de exposición individual a los PAH’s es 1- hydroxypyrene (1-OHP) en

orina (62).El 1-OHP es el metabolito principal del pireno, este puede ser excretado en la orina

como un compuesto simple o conjugado como ácido gluconico 1-hydroxypyrene-glucuronide

(1-OHPG), y su vida media ha sido estimada de 6-35 h, en estudios de trabajadores de hornos

de carbón (63). Aunque estos metabolitos (1-OHP y 1-OHPG) no representan biomarcadores

específicos de PM, debido a que el pireno se encuentra mayoritariamente en la fracción volátil

de las emisiones de diesel (64); algunos estudios han encontrado relaciones entre los niveles

de PM en aire ambiente y la excreción de 1-OHP (62) (65). Aunque las relaciones más

significativas se encuentran en ambientes ocupacionales donde la concentración de PM es más

elevada, algunos estudios han encontrado que habitantes en ciudades con mayores

concentraciones de PM10 (>120μg/m3) excretan mayores niveles de 1-OHP en relación a los

habitantes de ciudades menos contaminadas (65); otros estudios señalan relaciones entre la

excreción de 1-OHPG y el PM del aire ambiente en ciudades (62). Por el contrario otros

estudios no señalan diferencias significativas en la excreción de 1-OHP y la concentración de

PM, entre áreas urbanas y rurales (48). La diferencia entre los resultados positivos y negativos

de los estudios puede encontrase en la población objetivo de estudio, si son ambientes con

altas concentraciones de PM o si por el contrario son ambientes externos. A partir de estas

diferencias se puede concluir que el 1-OHP puede predecir acertadamente exposiciones a altas

concentraciones, pero en aire ambiente puede no ser lo suficientemente sensible.

El 1-nitropireno (1-NP), es un biomarcador comúnmente usado para exposiciones de PM de

combustión de diésel, debido que éste es uno de los nitro-sustitutos más abundantes de los

PAHs y este se encuentra asociado las partículas y su potencialidad mutagénicas (66).

Adicionalmente los niveles de 1-NP, están asociados con 1,3-,1,6-, y 1,8-dinitropirenos, los

cuales se encuentran entre las sustancias nitro-PAHs mas mutagénicas (67). Aunque el diésel es

considerado como la mayor fuente de exposición a los nitro-PAHs, existen reportes de estas


41

sustancias en emisiones de motores de gasolina, partículas de aire ambiente y aire en

interiores (68).

Otros biomarcadores como SPMA (S-phenyl mercpturic acid) y el TtMA (trans,trans-muconic

acid) pueden ser utilizados si en la caracterización del PM en estudio se encuentra presencia de

benceno, ya que estos sustancias son metabolitos del benceno los cuales pueden ser medidos

en orina, especialmente el SPMA, el cual ha mostrado una relación significativa con la

exposición externa a benceno en ambientes ocupaciones (48).

Adicional a las características carcinogénicas y mutagénicas de algunas sustancias del PM, otros

estudios han investigado relaciones entre la exposición de PM y la inducción y/o exacerbación

de eventos inflamatorios en el cerebro de ratones, encontrando incrementos en los niveles de

algunos biomarcadores en el cerebro. En este tipo de estudios se ha identificado la relación de

factores de transcripción inmunológicos relacionados como el NF-kB, así como el principal

proinflammatory cytokines IL-1α y TNF- α, los cuales representan biomarcadores de exposición

a PM en aire ambiente. El NF-kB promueve la expresión de genes involucrados a inflamaciones

cerebrales como los proinflammatory cytokines, iNO (inmune nitric oxide synthases) y factores

complementarios (69).

La presencia de químicos específicos del ADN y algunos aductos de proteínas pueden ser

utilizados como biomarcadores de exposición, pero adicional a la información de exposición

que este tipo de biomarcadores pueden ofrecer, estos representan dosis biológicas efectivas y

muestran un rango posible de susceptibilidad (70). Otros biomarcadores utilizados en la

evaluación de exposición de PM son: 8-oxo-7,8-dihydro-2′-deoxyguanosine (8-oxodG) en WBC,

fibrinógeno, recuento de plaquetas, conteo total de glóbulos blancos (total WBC) y partículas en

sputum macrófagos.

En general los metales que no sufren transformaciones en el cuerpo son excretados y pueden

ser medidos en sangre, orina, pelo y uñas.


42

5.2 Biomarcadores de Efecto

Los biomarcadores de efecto representan tanto exposición como efectos adversos sobre la

salud. Este tipo de biomarcadores pueden ser utilizados directamente para la identificación

agentes tóxicos y la caracterización de la toxicidad asociada. Además evalúan la dosis-repuesta

a efectos biológicos tempranos, efectos y/o modificaciones estructurales/funcionales a nivel

celular relacionados con el desarrollo y eventual incremento en la incidencia de enfermedades

específicas.

Un rango limitado de tejidos está disponible para realizar análisis rutinarios de biomarcadores,

es por esto que los tejidos más asequibles son usados como sustitutos de los conocidos como

tejidos objetivos.

El PM y sus componentes pueden alcanzar diferentes tejidos en el cuerpo humano,

dependiendo de la investigación los biomarcadores de dosis interna pueden clasificarse

dependiendo del tejido evaluado:

Biomarcadores hematológicos

Biomarcadores de nefrotoxicidad

Biomarcadores de hepatoxicidad

Biomarcadores de inmunotoxicidad

Biomarcadores de genotoxicidad

Biomarcadores de toxicidad pulmonar

Biomarcadores de neurotoxicidad.

Los biomarcadores de defecto listados anteriormente son principalmente aductos de ADN y

aductos de proteína, los cuales pueden evaluar la fracción bilógica activa de los xenobioticos,

interactuando con las macromoléculas celulares de un sitio específico. Los aductos

macromoleculares son considerados además de biomarcadores de exposición, biomarcadores

de significancia biológica, es decir biomarcadores de efecto y de susceptibilidad.


43

Aunque los mecanismos mediante los cuales las partículas alcanzan los niveles celulares no

están totalmente definidos para el PM, en la Figura 13, Se observa una hipótesis esquemática

del proceso de transporte del PM.

Figura 13. Diagrama de los eventos hipotéticos desarrollados desde una exposición crónica de partículas hasta el desarrollo de enfermedades como cáncer y arterosclerosis (48).

En la Figura 13 las partículas pueden utilizar diferentes mecanismos para alcanzar los tejidos

objetivos. Algunos estudios señalan que el material particulado puede emplear diferentes

métodos para producir estrés oxidativo, el cual tiene efectos tóxicos a nivel celular y de ADN.

El estrés oxidativo del PM se debe a la naturaleza de algunos de sus componentes y puede ser

generado por 3 métodos principales.

El primer método está relacionado con metales, los cuales inducen la generación de radicales

libres como el radical hidroxilo (OH-), el cual a su vez induce la formación de especies reactivas

del oxígeno (ROS), y estas especies tienen efectos nocivos sobre el sistema inmune, causando


44

daños pulmonares neutrofílicos agudos y liberando mediadores inflamatorios8. El estrés

oxidativo pude también ser inducido por la relación entre los macrófagos alveolares y los

neutrofilos, estos fagocitos encargados de digerir y remover las partículas inhaladas por los

pulmones son activadas por metales presentes en el área superficial del PM fino, así como por

compuestos orgánicos o endotoxinas y cuando estas células son activadas se produce una

liberación de algunas citoquinas y de ROS.

Por último el estrés oxidativo puede ser causado por la fracción orgánica del material

particulado, debido a que estas sustancias promueven reacciones de reducción-activación de

quinonas, los cuales se generan durante el metabolismo de algunos PAHs produciendo ROS

durante su metabolización.

Los biomarcadores de daño oxidativo de ADN, categoría en la cual se encuentran todos los

biomarcadores de dosis efectiva biológica, han sido asociados con un incremento en el riego a

desarrollar enfermedades como cáncer y arterosclerosis. Por tanto estos biomarcadores son

una herramienta importante en la investigación de los mecanismos que inducen efectos

nocivos sobre la salud. En relación al cáncer, cerca de 100 diferentes modificaciones oxidativas

han sido identificadas in vitro, y una de las más abundantes bases modificadas es la

hidroxilación de guaninia ( C8), esta base produce 8-oxo-7,8-dihydro-2’guanine(8-oxoGua), el

cual se cree es el producto mayoritario de los ataques de radicales hidroxilos al ADN. Las

mediciones de 8-oxoGua o de su correspondiente nucleosido 8-oxodG o de su base reparadora

glycosylase 8-oxodG glycosylase (OGG1), son biomarcadores utilizados para medir el nivel de

daño del ADN o la totalidad del ADN afectado. Estos pueden ser medidos por el método HPLC

(High Performance Liquid Chromatography) desde una muestra de tejido o de linfocitos en

ADN, muestras de orina o por el método de commet assay con mediciones de SB y FPG en

sitios sensitivos.

Los anteriores biomarcadores son acertados para evaluar daños oxidativos por PM, múltiples

estudios han encontrado incrementos en los niveles de 8-oxodG después de exposición in vitro

8 Moléculas solubles y difusibles que actúan localmente en el sitio de un tejido dañando o infectado.


45

e in vivo a material particulado, principalmente PM2.5 (5) (71) (48), sin embargo la mayoría de

los estudios in vivo de 8-oxodG se han realizado a concentraciones significativamente más

elevadas que las encontradas en aire ambiente. Estudios de PM en aire ambiente como el

estudio de Copenhague para conductores de buses y el estudio de niños en Ciudad de Méjico,

han encontrado diferencias en la concentración de 8-OxodG entre zonas urbanas y rurales.

También estos estudios han encontrado correlaciones de 8-oxodG y N7-methylguanine (N7-

MeG) y significancia en la predicción de daños al ADN. El N7-MeG es utilizado como

biomarcador ya que el N7 de la guaninas es el sitio de reacción predomínate, el N7-

methylguanine (N7-MeG) ha sido utilizado como biomarcador de exposición para agentes de

metilación9 tanto endógenos como exógenos como las nitro aminas (72).

Otros estudios han analizado la exposición a PM evaluando la oxidación de proteínas como 2-

aminoadipic semialdehyde (AAS) en proteínas del plasma (PLAAS) y la peroxidación de lípidos

en plasma como el malondialdehyde (MDA) (73). En estos estudios se ha encontrado relación

significativa entre la exposición al humo negro y PLAAS, así como relaciones entre la exposición

de PM2.5 y PLAAS. Estos estudios señalan que aún a bajas concentraciones el PM induce estrés

oxidativo con efectos en el ADN así como en otras biomoléculas. Por otra parte datos

epidemiológicos señalan que la exposición crónica a partículas está asociado con un

incremento en el riesgo a desarrollar enfermedades como cáncer, debido a que el 8-OxoGua

puede ser utilizado como base par durante la replicación, causando mutación de G:C a T:A.

Como se mencionó anteriormente los PAHs generan diferentes compuestos reactivos como

quinonas, los cuales se cree son mutagénicos debido a la generación de ROS y la formación de

aductos. Los biomarcadores de dosis interna efectiva de PAH pueden incluir aductos de ADN y

proteínas (hemoglobina y albumina), y circulación anti-BP DNA. De los anteriores el 32P-

postlabeling es comúnmente es utilizado como biomarcador de aductos de PAH, debido a su

acertada predicción de los efectos carcinogénicos de los PAH´s. Otros biomarcadores como los

de aberración cromosómica (AC) son comúnmente utilizados debido a que la mayoría de los

9 La metilación es la adición de un grupo metilo (-CH3) a una molécula

http://es.wikipedia.org/wiki/Grupo_metilo

http://es.wikipedia.org/wiki/Mol%C3%A9cula


46

contaminantes ambientales han demostrado inducir ACs, así como micronucleicos (MN), los

cuales hacen parte de los ACs.

Ensayos de mutación de genes como: HPRT (hypoxanthineguanine

phosphoribosyhransferase)10, HLA (Human leukocyte antigen), GPA (glycophorin A)11 y TCR (T

cell receptor)12, son utilizados para analizar las posibles inducciones a enfermedades

mutagenicas importantes causadas por agentes ambientales. Además existen otros tipos de

ensayos como la electroforesis en una sola célula (Single Cell Gel Electrophoretic) o más

conocido como el ensayo del cometa (comet essay)13, el cual es ampliamente usado debido a

su simplicidad y pueden medir la alteración de la expresión de genes como: genes

metabolizados, genes de reparación de ADN o enzimas específicas y rompimientos o daños en

las cadenas de ADN.

5.3 Biomarcadores de Susceptibilidad.

En los estudios de biomarcadores es importante analizar la predisposición genética de un

individuo a la susceptibilidad de un químico. Existen algunos factores externos como edad,

dieta y condiciones de salud, que pueden influenciar en la susceptibilidad de un individuo

expuesto a un químico.

Aunque los individuos pueden experimentar exposiciones ambientales similares, las diferencias

genéticas en el metabolismo pueden producir diferencias significativas de las dosis en los sitios

objetivos y por tanto una diferencia en el nivel de respuesta. Aún cuando las dosis objetivos

sean similares, pueden existir diferencias significativas en las respuestas entre individuos.

Los biomarcadores de susceptibilidad pueden reflejar factores adquiridos o genéticos que

puedan influenciar las respuestas a la exposición, estos factores pre-existentes e

independientes a la exposición son principalmente de origen genéticos. Sin embargo

10

Gen de las células epiteliales alveolares. 11 La mayor glicoproteína sialica rica en ácido en la membrana de las células rojas de la sangre (RBC). 12 Molécula que se encuentra en la superficie de los T-linfocitos, que es generalmente la responsables de

reconocer enlaces entre antígenos de mayor y moléculas (MHC). 13 The Single Cell Gel Electrophoresis assay, técnica para evaluación de daño de ADN.


47

enfermedades, cambios fisiológicos, medicamentos y exposiciones a otros agentes ambientales

pueden también alterar la susceptibilidad ambiental. Los biomarcadores de susceptibilidad

indican cuales factores pueden incrementar o disminuir el riesgo individual a desarrollar una

repuesta tóxica debida a una exposición a una agente ambiental.

Diferencias en las tasas de actividad enzimática que controla la activación o desintoxicación de

xenobioticos generan diferencias en la susceptibilidad incrementando o decreciendo la dosis

efectiva biológica del agente ambiental, además diferencias en las tasas de metabolización

pueden afectar la distribución y persistencia de metabolitos.

5.4 Rrevisión de estudios de biomarcadores para PM y/o sus componentes.

En la Tabla 8, se encuentra una revisión bibliográfica de múltiples estudios de biomarcadores

para material particulado y para algunos de sus componentes más comunes. La revisión se

realizó tanto para ambientes exteriores como para ambientes ocupacionales. Posteriormente

En la Tabla 9 se presenta una revisión bibliográfica para parámetros de biomonitoreo de

metales y algunas sustancias presentes en PM, evaluados por métodos propuestos por

organizaciones ambientales y de salud. Finalmente la Tabla 10 lista algunos de los

biomarcadores de susceptibilidad aplicados asociados a agentes presentes en el materia

particulado.


48

Tabla 8. Revisión bibliografía de biomarcadores para PM y/o sus componentes.

SUSTANCIA ESTUDIO FLUIDO BIOMARCADOR ENSAYO Tipo de Estudio

Material particulado PM 2.5

Sorensen et al.(2003)

Sangre 7-hydro-8-oxo-2 -

deoxyguanosine (8-oxodG), en linfositos

Comet Assay

Contaminación atmosférica

sangre PAH aductos en ADN de

linfocitos 32P-postlabelling

orina 1-OHP HPLC con detección

fluorescente

sangre FPG/ENDO-sitios

sensitivos(en linfocitos) Comet Assay

sangre SBs (en linfocitos) Comet Assay

orina 8-oxodG HPLC-

electroquimico

Material Particulado PM0.25; PM0.25–

2.5; PM2.5–10 Delfino et al.(2009)

sangre (plasma)

IL-6 Quantikine HS (R&D

Systems)


sangre (plasma)

TNF-α Quantikine HS (R&D

Systems)

sangre (plasma)

sTNF-RII Quantikine HS (R&D

Systems)

sangre (plasma)

(sP-selectin) (Jurk &Kehrel

2005).

sangre (plasma)

CRP Zymutest HIA (HIT)

Assay

sangre (eritrocitos)

Cobre–Zinc superoxide dismutase (Cu,Zn-SOD)

Espectroforometría (Cayman

Chemical®)

http://www.hit-assay.com/

http://www.hit-assay.com/


49


sangre (eritrocitos)

Glutathione peroxidase-1 (GPx-1)

Espectroforometría (Cayman

Chemical®)

PM 2.5 Tovalin et al.(2006) sangre Leucocitos Comet Assay Ambiente ocupacional

PM 2.5 Stricland et al.(1999) orina 1-OHP/1-OHPG HPLC Contaminación atmosférica

PM ultrafino Avogbe et al.(2005) sangre Leucocitos Comet Assay Contaminación atmosférica

PM ultrafino Vinzents et al.(2005) sangre Leucocitos Comet Assay Contaminación atmosférica

Material particulado cargado con PAH

Motykiewicz et al.(1998)

orina 1-OHP HPLC con detección

fluorescente Contaminación atmosférica

PAH, metabolitos de benceno y metales

pesados Wilhelm et al.(2007) sangre Linfocitos Comet Assay Contaminación atmosférica

Benceno Navasumrit et

al.(2005) sangre Leucocitos Comet Assay

Contaminación atmosférica y Ambiente

ocupacional(estaciones de servicio, plantas petroquímicas)

Benceno o metabolitos

Andreoli et al.(1997) sangre Linfocitos Comet Assay Ambiente ocupacional

Arsénico y plomo Yañez et al.(2003) sangre Leucocitos Comet Assay Contaminación atmosférica

Emisiones de carbón Chao et al.(2008)

orina (1-OHP) HLPC

Ambiente ocupacional

orina (8-oxodG) LC-MS/MS

orina Toxicidad aguda Microtox assay

orina Mutagenicidad Ames test

orina N7-methylguanine (N7-

MeG) LC-LCMS/

MS

Emisión de diésel Scheepers et al.(2002) sangre Linfocitos congelados Comet Assay Ambiente ocupacional

Knudsen et al.(2005) sangre Linfocitos congelados Comet Assay Ambiente ocupacional


50


Hidrocarburos Aromáticos

Policíclicos (PAH's)

Jongeneelen et al.(1985)

orina 1-OHP HPLC-FD Contaminación atmosférica

Van Delf et al.(2001) sangre Linfocitos Comet Assay Ambiente ocupacional

trabajadores de hornos de carbón

Marczynski et al.(2002)

sangre 8-oxodG Comet Assay Ambiente ocupacional

Siwinska et al. (2004) sangre Leucocitos Comet Assay Ambiente ocupacional


Leng et. Al (2004) sangre Linfocitos Comet Assay Ambiente ocupacional


Chen et al.(2006) sangre Linfocitos Comet Assay Ambiente ocupacional


Qui et al.(2007) sangre Leucocitos Comet Assay Ambiente ocupacional


Scherer et al.(2000)

orina 1-OHP HLPC


orina SPMA GC-MS;LC-LCMS/

MS

orina tt-MA GC-MS

sangre AND-aductos en

linfocitos 32P-postlabelling

sangre 1-nitropireno-aductos 32P-postlabelling

sangre 8-oxodG Comet Assay

sangre O6-alkilguanina 32P-postlabelling


51


Strickland et al.(1999) orina 1-OHP/1-OHPG HPLC con detección

fluorescente Contaminación atmosférica

Cavallo et al.(2006) sangre Leucocitos SCE Ambiente ocupacional

trabajadores de pavimentos

Cebulska et at.(2005) sangre Linfocitos Comet Assay Contaminación atmosférica(

Policías de tránsito)

Sílice Basaran et al.(2003) sangre Linfocitos Comet Assay Ambiente ocupacional

Asbestos Carere et al.(2002) sangre Linfocitos Comet Assay Ambiente ocupacional

Zhao X.H (2006) sangre Leucocitos Comet Assay Contaminación atmosférica

Al,Cd,Co,Cr,Ni,Pb Botta et al.(2006) sangre Linfocitos Comet Assay Ambiente ocupacional

Cr, Ni Danadevi et al.(2004)

sangre Leucocitos Comet Assay Ambiente ocupacional

mucosa bucal

MN en celulas bucales epiteliales

Micronucleus assay

Ambiente ocupacional

Pb

Fracasso et al.(2002) sangre Linfocitos Comet Assay Ambiente ocupacional

Danadevi et al.(2003) sangre Leucocitos Comet Assay Ambiente ocupacional

Steinmetz-beck et at.(2005)

sangre Leucocitos Comet Assay Ambiente ocupacional

Pb, Cd Palus et al.(2003) sangre Linfocitos SCE,FISH,MN Ambiente ocupacional


52

Tabla 9. Parámetros de biomonitoreo propuesto por diferentes organizaciones.

COMPUESTO MÉTODO FLUIDO BIOMARCADOR

Arsénico (As)

(FIOH14, 1993) orina U-AsIII+

AsV+

(UK HSE15, 1991)

orina

(MMA16+DMA17)

U-AsIII+

AsV+

Cadmio (Cd)

(ACGIH18, 1992) orina U-Cd

sangre B-Cd

(DFG19, 1992) orina U-Cd

sangre B-Cd

(FIOH, 1993) orina U-Cd

sangre B-Cd

(UK HSE, 1991) orina U-Cd

sangre B-Cd

Cromo (Cr)

(ACGIH, 1992)

orina U-Cr (DFG, 1992)

(FIOH, 1993)

(UK HSE, 1991) sangre B-Cr

orina U-Cr

Cobalto (Co)

(DFG, 1992)

orina U-Co (FIOH, 1993)

(UK HSE, 1991)

Lead (Pb)

(ACGIH, 1992)

sangre B-Pb

orina U-Pb

sangre B-ZPP20

(DFG, 1992) sangre B-Pb

orina U-ALA21

(FIOH, 1993) sangre B-Pb

sangre B-ZPP

14Finnish Institute of Occupational Health. 15United Kingdom Health and Safety Executive 16 Monomethylarsinic acid 17 Dimethylarsinic acid 18 American Conference of Governmental Industrial Hygienists. 19 Deutsche Forschungsgemeinschaft. 20 Erythrocyte zinc 21 Delta-aminolevulinic acid


53

COMPUESTO MÉTODO FLUIDO BIOMARCADOR

(UK HSE, 1991)

sangre B-Pb

orina U-ALA

sangre B-ZPP

Manganeso (Mn)

(FIOH, 1993) orina U-Mn

(UK HSE, 1991) sangre B-Mn

orina U-Mn

Mercurio (Hg)

(DFG, 1992) sangre B-Hg

orina U-Hg

(FIOH, 1993) sangre B-Hg

orina U-Hg

(UK HSE, 1991) sangre B-Hg

orina U-Hg

Níquel (Ni)

(DFG, 1992)

orina U-Ni (FIOH, 1993)

(UK HSE, 1991)

Vanadio (V) (FIOH, 1993)

orina U-V (UK HSE, 1991)

Tolueno

(ACGIH, 1992) orina U-hippuric acid

(DFG, 1992)

sangre B-tolueno (FIOH, 1993)

(UK HSE, 1991)

Benceno

(ACGIH, 1992) orina U-fenol

(DFG, 1992) orina U-fenol

sangre B-benceno,

(FIOH, 1993), sangre B-benceno,

(UK HSE, 1991)

Aire Exhalado-

-

sangre B-benceno

Nitrobenceno (ACGIH, 1992) orina U-p-nitrofenol

sangre B-MetHb


54

Tabla 10. Biomarcadores de susceptibilidad.

FACTOR GENÉTICO AGENTE AMBIENTAL ENFERMEDAD

Xeroderma pigmentosum

genotype

Agentes que causen daño oxidativo

al ADN, PAH, aminas aromáticas y

aflatoxin B1

Cáncer de piel, otro tipo

de cáncer

Arylhydrocarbon hydroxylase

inducibility

Hidrocarburos aromáticos policiclícos Cáncer de pulmón

Glucose-6P-dehydrogenese

deficiency phenotype

Agentes oxidativos, aminas

aromáticas, compuestos nitro-

aromáticos

Pobre resistencia a la

oxidación

Thalassemia phenotype Plomo, benceno. Anemia

IgA deficiency Irritantes respiratorios. Irritación del tracto

respiratorio

6. SELECCIÓN Y VALIDACIÓN DE BIOMARCADORES PARA MATERIAL PARTICULADO

El desarrollo y validación de biomarcadores que puedan relacionar exposiciones ambientales

con desarrollos de enfermedades es uno de los campos de prioridad en las investigaciones

ambientales. La validación de biomarcadores como elementos predictivos tempranos a

enfermedades clínicas puede mejorar la evaluación de riesgo a la salud y contribuir a las

políticas efectivas de prevención a nuevas enfermedades tanto en contaminación ambiental

como ocupacional.

El proceso de selección y validación requiere consideraciones cuidadosas principalmente de

especificidad y sensibilidad del biomarcador, que permitan reflejar una medida de la

distribución desde la exposición hasta la observación de efectos nocivos sobre la salud. Otras

consideraciones específicas deben ser aplicadas para establecer la exactitud, precisión y

seguridad de la calidad del procedimiento analítico para la evaluación del biomarcador

seleccionado.


55

La mayoría de los biomarcadores que han sido utilizados a lo largo de los estudios fueron

desarrollados como subproductos de estudios mecanisticos22, principalmente celulares y de

animales, en estos estudios características como sensibilidad y especificidad, así como la forma

de las curvas dosis-respuesta fueron determinados en laboratorios por múltiples métodos. Sin

embargo en las últimas décadas estos han sido extrapolados a estudios epidemiológicos

humanos.

Como herramienta epidemiológica los biomarcadores deben ser validados para investigación

en poblaciones humanas y varios autores han propuestos rigurosos métodos para la evaluación

de estos en estudios moleculares epidemiológicos (74) (75) (76) (77). Antes de explicar el

criterio de selección y validación de los biomarcadores de exposición, efecto y susceptibilidad,

es importante considerar algunos factores que pueden influenciar la reacción de los individuos

a los químicos xenobioticos. En la Figura 14 se puede observar el resumen de algunos factores

variables que pueden influenciar las interacciones entre el individuo y el químico.

FUENTE RESPUESTAHUÉSPED RUTA DE

EXPOSCIÓNQUÍMICO

DISTRIBUCIÓN

Aire

Agua

Suelo

Alimentos

PROPIEDADES

RUTA

Aire

Oral

Dérmico

Parenteral

EXPOSICION

Dosis

*Concentración

*Cantidad

*Tasa

* Químico puro o

presente en

mezcla

*Absorbido en

partículas

Edad

Raza

Suseptibilidad de

género

Estado de salud.

Inmediato

Demorado.

Figura 14.Factores variables que influencian la interacción químico-individuo (78).

22 Un estudio mecanístico es un estudio que involucra el uso de productos médicos o sustancias medicas a

investigaciones de un determinado proceso o efecto, para la inducción de los mismos.


56

Los factores de la Figura 14 se distribuyen a lo largo de la cadena fuente-químico-individuo,

donde la fuente puede ser aire, agua, suelo o alimentos. Es importante considerar las

propiedades físico-químicas de las sustancia en estudio, si esta se encuentra como gas, vapor o

partícula, y si esta se encuentra presente en una mezcla química compleja o absorbida en una

partícula.

Las características de la exposición también son relevantes, así como la concentración del

químico y su duración, la frecuencia y la magnitud de la exposición y las rutas de exposición al

agente (inhalación, oral, dérmico). Por otra parte las características de los individuos pueden

influenciar la respuesta a la exposición: edad, raza, género, condición física, susceptibilidad

genética, exposiciones previas al mismo o a diferentes químicos. La información relacionada

con los factores anteriores puede ser de gran ayuda en la selección del tipo de biomarcador

que deberá ser usado en la evaluación de exposición, efecto o susceptibilidad del agente en

estudio.

Algunos factores requieren consideración en el proceso de selección y validación de

biomarcadores. Para la identificación de factores en la selección del biomarcador más

apropiador se propone la siguiente metodología general (78):

1. Identificación y definición de los puntos limites de interés.

2. Recolección de datos para la documentación de las relaciones entre la exposición

química, el posible biomarcador y el punto límite. Esta información incluye datos de

estudios in vitro de mamíferos y humanos, los cuales deben estar validados y

evaluados en protocolos de estudio.

3. Seleccionar un biomarcador específico al objetivo del estudio teniendo consideraciones

cuidadoras para identificar si el biomarcador ha sido cuantificado para evaluar la

sensibilidad y especificidad en relación con la exposición, y la significancia con respecto

a cambios en los resultados de efectos en la salud y cambios patológicos a lo largo del

tiempo.

4. Seleccionar los individuos potencialmente disponibles para el análisis, con énfasis en la

protección de la integridad del individuo tanto en la recolección como en el análisis,

prefiriendo las técnicas no invasivas.


57

5. Realizar una revisión de los procedimientos analíticos disponibles para la cuantificación

del biomarcador y sus limitaciones respecto a la detección limite, la sensibilidad, la

precisión y asertividad.

6. Establecer protocolos de análisis apropiados, los cuales provean aseguramiento y

control de la calidad.

7. Evaluación de las variaciones tanto intra-individuo como inter–individuo para la

población no expuesta.

8. Analizar información existente para establecer las relaciones dosis-efecto y la dosis-

respuesta, y sus variaciones con especial énfasis en la susceptibilidad individual.

Los estudios realizados en humanos diseñados para evaluar y validar un biomarcador en una

población han sido calificados como estudios epidemiológicos transicionales, en su mayoría. Se

llaman transicionales porque estos intentan relacionar las investigaciones exclusivamente de

laboratorio y los estudios en campo con humanos, y aunque los estudios de laboratorio

permanecen críticos, los estudios transiciones son determinados epidemiológicos debido a la

utilización de métodos de esta disciplina. En los estudios transicionales el objetivo está en el

biomarcador, el cual es la variable dependiente; por el contrario la exposición ambiental o los

efectos nocivos sobre la salud son las variables independientes (79).

Varios autores (79), (6), (80) han reportado diferentes metodologías para la selección y

validación los cuales se resumen en la siguiente tabla.

Tabla 11.Pasos para el desarrollo y validación de un biomarcador (6) (79) (80).

PASOS

DESCRIPCION

1 Seleccionar la exposición a ser monitoreada (fuente, exposición humana significante, efectos nocivos

sobre la salud.

2 Selección de biomarcador (cual parámetro como respuesta a la exposición es apropiado).

3 Desarrollo de un método para la medición del biomarcador.

4 Verificación del biomarcador(e.g. en un modelo animal apropiado)

5 Adaptación de un método a las condiciones de campo (sensibilidad, simplicidad, rendimiento)


58

PASOS

DESCRIPCION

6 Establecer características famaco-cinéticas, persistencia y dosis-respuesta en humanos.

7 Identificación de factores modificadores(estilo de vida, ocupación, genética)

8 Validación de biomarcadores en un estudio epidemiológico transicional

Concentraciones base y variabilidad de la población.

Variación Inter-individuo e Intra-individuo.

¿El biomarcador cumple con los objetivos propuestos?:

o El biomarcador de exposición debe fuertemente predecir los nivles de exposición.

o El biomarcador de efectos biológicos debe fuertemente predecir los riesgos a

enfermedad.

o El biomarcador de susceptibilidad debe ser capaz de modificar el riesgo.

La metodología de la Tabla 11 es aplicable para la mayoría las validaciones de biomarcadores,

en especial para las mezclas complejas de emisiones y el material particulado. La selección de

un biomarcador de exposición apropiado para mezclas complejas como el aire contaminado y

emisiones de combustibles fósiles es de particular importancia (paso 2), el biomarcador de

exposición debe ser específico para la fuente. Para mezclas complejas inhaladas es deseable

que el biomarcador refleje la exposición de la fase gaseosa, de la fase particulada y de algunos

químicos de toxicología relevante. La selección de un biomarcador de exposición requiere

conocimientos del metabolismo del precursor. Los biomarcadores de efecto deben indicar

efectos tempranos sobre la salud de las mezclas complejas (e.g. estrés oxidativo, inflamación,

peroxidación de lípidos, daños al ADN, mutaciones). Tanto para los biomarcadores de

exposición como de efecto, el muestreo debe ser preferiblemente no invasivo y en algunos

casos será más adecuada la medición de un grupo de biomarcadores que de uno solo. El

método analítico para el desarrollo del biomarcador (paso 3), debe ser especifico, sensitivo,

simple, rápido y robusto, requerimiento que pueden ser difícil de establecer.

La verificación de un biomarcador en un modelo animal apropiado (paso 4), ha sido

desarrollado para múltiples biomarcadores por diferentes investigadores e instituciones. La

adaptación de los biomarcadores a las condiciones de campo (paso 5) es un prerrequisito


59

cumplido en la mayoría de los métodos disponibles. Adicionalmente, establecer la fármaco-

cinética, persistencia y la dosis-respuesta en humanos (paso 6) es sin duda uno de los pasos

más importantes de la validación. Tener conocimientos sobre la fármaco-cinética y la

persistencia es fundamental para la definición apropiada de los tiempos de muestro en campo;

como se observó en la Figura 3, los principios de adsorción, distribución, metabolismo y

excreción utilizados en medicamentos pueden ser aplicados análogamente a los

biomarcadores. La existencia de una relación dosis-respuesta entre la exposición y el

biomarcador es esencial para la idealidad del mismo. La identificación de factores

modificadores (paso 7) es necesario para el control de los mimos en los estudio

epidemiológicos, como se ha mencionado anteriormente la susceptibilidad genética puede ser

evaluada mediante biomarcadores de susceptibilidad. Exposiciones ocupacionales y factores de

estilo de vida pueden ser evaluados mediante cuestionario o por biomarcadores de exposición.

Finalmente el estudio epidemiológico transicional (paso 8) representa el último paso en la

metodología de validación comúnmente llamado “gold standard” y es frecuentemente difícil

de alcanzar, solo algunos han sido implementaos para unos pocos biomarcadores (79).

Aunque la Tabla 11 muestra una recopilación de los métodos más utilizados, otros estudios

(81) sugieren hacer una validación con base a las cualidades intrínsecas y las propiedades

relacionados con los procedimientos de muestreo y análisis. En relación a lo anterior las

cualidades intrínsecas comprenden: el tipo de biomarcador (exposición, efecto y

susceptibilidad), el tiempo de exposición reflejado por el biomarcador (reciente o crónica), la

sensibilidad (bajo porcentaje de factores erróneamente clasificados como no expuestos cuando

en realidad están expuestos), las variaciones intra- e inter-individuo, la concentración base del

biomarcador en la población, la existencia de la relación dosis-respuesta entre el biomarcador

y el conocimiento de factores que pueden confundir las repuestas.

Por otro lado las propiedades relacionadas con los procedimientos de muestreo y análisis

incluyen: restricción de muestreo (e.g. requerimientos de tiempo), invasiones, estabilidad del

biomarcador en el fluido corporal (posibilidad de almacenar la muestra antes del análisis),

peligro de contaminación durante el muestro y/o análisis, simplicidad del método, posibilidad


60

de uso rutinario, limite de detección/cuantificación, velocidad del método y posibilidad de

estandarización. A continuación se muestra un ejemplo de las características de validación para

un biomarcador de exposición para PM, específicamente para PAH’s, el cual muestra las

relaciones asociadas a su capacidad de reflejar exposición en ambiente exterior. El

biomarcador utilizado es el 1-OHP.

Tabla 12. Criterios de validación para 1-OPH (81).

1-OHP

CUALIDADES INTRÍNSECAS

Tipo Exposición

Farmacinética Reciente (t1/2=20h)

Sensibilidad Baja

Especificidad Baja

Variación intra-individuo 40%

Variación inter-individuo 100%

Concentración base en la población 0.05μg/24h

Dosis-respuesta a la exposición Si

Factores de confusión Dieta, sitio de trabajo, fumador.

PROPIEDADES REALCIONADAS CON MUESTREO Y ANALISIS

Fluido corporal Orina

Limitación de muestreo No

Invasiones No

Estabilidad después de muestreo Estable(<-20ºC)

Contaminación No

Principio del método analítico HPLC-FD

Simplicidad del método No

Uso rutinario Si

Limite de detección 0.01 μg/24h

Limite de cuantificación 0.03 μg/24h

Repetitividad Buena

Reproductividad Buena


61

Especificidad del método Buena

Velocidad del método Baja

Estandarización del método Si

7. PROBLEMÁTICA COLOMBIANA

Aunque la relación causa-efecto entre la presencia continua de contaminantes en la atmósfera

como el PM y el incremento en la tasa de mortalidad está todavía en discusión, la relación

entre PM y los efectos nocivos sobre el sistema respiratorio y cardiovascular, especialmente en

poblaciones susceptibles está claramente establecida por estudios epidemiológicos que indican

que la contaminación ambiental por PM es la mayor contribuyente en la incidencia de efectos

nocivos relacionados con síntomas respiratorios, alteración de la función pulmonar y

enfermedad pulmonar obstructiva crónica. Los efectos agudos debido a exposiciones severas

han sido evaluados en diversos estudios epidemiológicos en los cuales se han encontrado

incrementos en la morbilidad y disminución en la productividad, lo cual a su vez está

relacionado con el incremente de las enfermedades crónicas respiratorias. Otros estudios

epidemiológicos han determinado la contribución de actividad con el tiempo de exposición de

individuos en diferentes microambientes, teniendo en cuenta elementos asociados a la

exposición total de diferentes contaminantes y las interacciones entre estos.

El material particulado y algunos de sus componentes son asociados principalmente con

efectos en el sistema respiratorio; en Colombia se han realizado estudios de calidad de aire y

exposición en algunas ciudades principales (82) (83) (84), los cuales han evaluado la

concentración de PM en comparación con los estándares nacionales y de la OMS. La norma

estándar de concentración media anual para PM es de 55μg/m3, y aunque estudios en ciudades

medianas como Pamplona (85) no han encontrado sobrepasos a la norma; otros en ciudades

grandes como Bogotá y el área del Valle de Aburrá (Antioquia) han encontrado valores entre

25-210 μg/m3 (86) y 50 -140 μg/m3 (87) respectivamente, así como el estudio realizado en la

ciudad de Santa Marta donde se tiene una norma anula promedio geométrico de 100 μg/m3 y


62

donde se obtuvieron mediciones de hasta 150 μg/m3 (88). De igual forma la norma estándar de

concentración para periodos de 24 h está establecida en 155 μg/m3, la cual también se ha

encontrado que es sobrepasada en sitios específicos de las ciudades colombianas (82) (87). Los

estudios mencionados anteriormente concluyen que aunque las ciudades evaluadas no

cuentan con un problemas significativo de contaminación del aire, el material particulado

debido a su constante excedencia a las normas estándares representa un problema para la

ciudad y sus habitantes, razón por cual el PM ha sido identificado como contaminante

problema en ciudades colombianas como Bogotá y algunos estudios han sido realizados con el

objeto de relacionar el PM con problemas de salud pública y ocupacional.

Uno de los estudios más importantes evaluó la relación entre la concentración atmosférica de

PM10 y la presencia de síntomas de enfermedades respiratorias en un grupo de escolares de

dos localidades de Bogotá, durante un período de tres meses. Los resultados encontraron que

un incremento de 10 μg/m3 en PM10 estaba asociado con un incremento del 8% en las visitas

hospitalarias debido a enfermedad respiratoria aguda (ERA) (89). Posterior a estos hallazgos se

realizó un estudio especifico para 2 lugares de Bogotá, el estudio de tipo microbiológico evaluó

el PM como factor de riesgo sobre la salud, este identifico dentro del PM posibles patógenos

oportunistas que viajan en la corriente de aire, los cuales aprovechando los efectos de

irritación y laceración de los epitelios causados por las partículas, sumados a la colmatación de

la red de cilios que protegen el sistema respiratorio, brindan condiciones óptimas para la

ocurrencia de I.R.A23 (90).

Otros estudios que relacionan contaminación y salud han sido realizados en Cali y municipios

cercanos (Yumbo y Jamundí), en los cuales se ha encontrado un impacto de la contaminación

atmosférica en las enfermedades respiratorias. El estudio de metales como: Fe, Cu, Zn, Pb, As y

Hg, y su incidencia en la salud en la ciudad de Cali demostró que un 10% de la población

expuesta exhibió niveles significativos de plomo en sangre (91). De igual manera otros estudios

encontraron impacto de la contaminación atmosférica en las enfermedades respiratorias (92)

(93). Respecto al PM en la ciudad de Cali se realizó una estimación preliminar del costo

23 Infección Respiratoria Aguda (IRA).


63

marginal de la contaminación atmosférica por material particulado en términos de morbilidad

respiratoria, los estimativos obtenidos implican una elasticidad de 0.7, es decir que un

incremento del 10% en la contaminación por PM aumenta los casos de enfermedades

respiratorias en 7% (94).

Otros estudios realizados en el área metropolitana del Valle del Aburrá y del oriente del

departamento de Antioquia, encontraron que los individuos más expuestos a contaminantes

ambientales, incluido el PM, manifestaron sufrir con más frecuencia ardor en los ojos,

congestión nasal, dificultad respiratoria, garganta irritada, tos, estornudos y dolor de cabeza

que los menos expuestos; adicionalmente se evidenció un exceso de riesgo del 68% de sufrir

afecciones obstructivas pulmonares entre los expuestos frente a los no expuestos,

encontrándose una percepción de los efectos negativos en los individuos más expuestos, en

comparación con la percepción de los individuos menos expuestos a contaminantes

ambientales, lo que complementa los hallazgos de alcance orgánico y neurosicológico que

permiten evidenciar un mayor riesgo para los individuos expuestos a altos niveles de

contaminación (95).

Los estudios de salud pública y PM enunciados anteriormente han sido realizados

principalmente a partir de correlaciones estadísticas de monitoreos de PM en aire ambiente e

índices de morbilidad y sintomatología de enfermedades respiratorias. Actualmente el

desarrollo de estudios de biomonitoreo directo sobre poblaciones o individuos específicos para

PM son limitados, sin embargo en la revisión de estudios se encontraron dos investigaciones

relevantes de tipo ocupacional que están relacionadas con exposición a PM en aire ambiente.

Los estudios titulados: “Exposición laboral a contaminación atmosférica: material particulado y

efectos respiratorios agudos en la salud de policías de tránsito de Bogotá” (96) y “Identificación

y cuantificación de 3-hidroxibenzo[a]pireno y 1-hidroxipireno como biomarcadores de

exposición a hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs) en población de policías de tránsito

de Bogotá expuestos ambientalmente” (97), fueron realizados en el año 2007. Estos estudios

tuvieron como objetivo investigar la frecuencia de síntomas y alteraciones pulmonares y

encontrar la cantidad de PM al que se encuentran expuestos ambientalmente los policías de


64

tránsito de Bogotá. Se realizaron mediciones individuales a exposiciones de PM10,

cuestionarios de sintomatología, valoraciones medico toxicológica y pruebas de función

pulmonar, para dos grupos de individuos. Durante los estudios se encontró mayor prevalencia

de síntomas de irritación ocular y de las vías respiratorias en los policías de tránsito, así como

un mayor riego de hiperactividad bronquial y mayor prevalencia de alteraciones respiratorias.

También se encontró que la concentración de PM10 en algunos grupos supero el valor de la

norma de exposición en 24 h.

Como se observó en la revisión de trabajos en Colombia, son pocas las investigaciones de

biomonitoreo que han sido realizadas. La identificación del PM con un contaminante problema

en la mayoría de las ciudades analizadas, principalmente zonas especificas de Bogotá, puede

dirigir investigaciones de biomonitoreo que relacionen de manera más precisa las correlaciones

entre PM y salud pública encontradas hasta el momento.


65

8. CONCLUSIONES

Evidencias científicas del PM y sus componentes han establecido en múltiples estudios que

estos compuestos inducen toxicidad, mutagenicidad, daño genético, daño oxidativo e

inflamatorio, entre otros. Considerando a éste como un problema tanto de salud pública como

ocupacional, con énfasis en poblaciones susceptibles.

La caracterización fisicoquímica y las dinámicas farmacocinéticas del PM y de sus componentes

permiten determinar de forma más precisa los análisis de selección del biomarcador y

validación, así como la selección de los procedimientos de recolección y análisis de muestras.

La selección y validación de biomarcadores son procesos relevantes dentro del diseño de los

estudios epidemiológicos con biomarcadores. La correcta selección del biomarcador y su

respectiva validación, permitirá obtener resultados e interpretaciones acertadas de los análisis

a la exposición de un xenobiótico.

El biomonitoreo de PM es una herramienta útil para relacionar los parámetros biológicos de

exposición de manera directa con los efectos adversos en la salud. Sin embargo, para obtener

una descripción global y completa de la cadena exposición-enfermedad es importante integrar

tanto el biomonitoreo por medio de biomarcadores como el método de mediciones de PM en

aire ambiente, con el fin de asegurar niveles de exposición que permitan prevenir efectos

nocivos sobre la salud humana.

En Colombia los estudios realizados han encontrado concentraciones de PM significativamente

superiores a los límites permitidos por la OMS, identificándolo como un contaminante

problema en las principales ciudades. Teniendo en cuenta estas investigaciones y los resultados

para ciudades como Bogotá, donde se cuenta con mediciones en aire ambiente y correlaciones

entre PM y sintomatología respiratoria, es importante llevar a cabo estudios epidemiológicos

con biomarcadores, los cuales permitan evaluar de forma más precisa la relación exposición-

efecto en las poblaciones sensibles inidentificadas.


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