INTRODUCCIÓN A LA INTRODUCCIÓN A LA TOXICOLOGÍATOXICOLOGÍA

Prof. Jesús Olivero Verbel. Ph.D.

Grupo de Química Ambiental y Computacional

Universidad de Cartagena

TOXICIDAD TOXICIDAD

Cualquier efecto adverso en la estructuraCualquier efecto adverso en la estructurao función de un sistema biológicoo función de un sistema biológico

por un agente químico o físicopor un agente químico o físico

EFECTO ADVERSOEFECTO ADVERSOPuede incluir tanto efectos no deseadosPuede incluir tanto efectos no deseados

como cualquier alteración del estado como cualquier alteración del estado basal que disminuye la habilidad de un basal que disminuye la habilidad de un

organismo paraorganismo parasobrevivir, reproducirse o adaptarse a sobrevivir, reproducirse o adaptarse a

su medio ambientesu medio ambiente

Ruta de exposiciónRuta de exposición

•Intravenosa Intravenosa •Inhalación Inhalación •Intraperitoneal Intraperitoneal •Subcutánea Subcutánea •Intramuscular Intramuscular •Intradérmica Intradérmica •Oral Oral •Dérmica.Dérmica.

Duración y frecuencia de exposición. Duración y frecuencia de exposición.

Aguda, subaguda, subcrónica y crónica.Aguda, subaguda, subcrónica y crónica.

TOXICOLOGÍATOXICOLOGÍAConceptos Conceptos

TOXICOLOGITOXICOLOGIAA

Conceptos Conceptos •Tolerancia: Disminución de los efectos inducidos por un Tolerancia: Disminución de los efectos inducidos por un tóxico en virtud de la exposición anterior al mismo ó a un tóxico en virtud de la exposición anterior al mismo ó a un agente químico de similar estructura.agente químico de similar estructura.

�Tolerancia por disposiciónTolerancia por disposición�Tolerancia por respuesta reducida de un tejido.Tolerancia por respuesta reducida de un tejido.

•Potencia. Rango de dósis sobre los cuales un químico Potencia. Rango de dósis sobre los cuales un químico

produce un incremento en la respuesta biológica.produce un incremento en la respuesta biológica.

•Eficacia. Magnitud de la respuesta asociada con un Eficacia. Magnitud de la respuesta asociada con un efecto farmacológico o toxicológico. Por lo general, efecto farmacológico o toxicológico. Por lo general, comparada con el agente que genera la máxima respuesta.comparada con el agente que genera la máxima respuesta.

TOXICOLOGITOXICOLOGIAA

Conceptos Conceptos • Curva Dósis - Respuesta. Curva Dósis - Respuesta. • Indice Terapéutico: LDIndice Terapéutico: LD5050/ED/ED5050

�Potencia. Rango de dósis sobre los cuales un Potencia. Rango de dósis sobre los cuales un químico produce un incremento en la respuesta químico produce un incremento en la respuesta

biológica.biológica.

�Eficacia. La eficacia máxima refleja el límite de la Eficacia. La eficacia máxima refleja el límite de la relación dósis-respuesta sobre el eje de la respuesta relación dósis-respuesta sobre el eje de la respuesta frente a cierto químico.frente a cierto químico.

Dosis – RespuestaEn toxicología, el concepto de mayor

Importancia es la curva dosis-respuesta.

Curvas dosis-respuesta: Importancia de la forma.

Efecto hipotético de un contaminante sobre la Mortalidad de la Bailarina durante un ensayo de 48 horas

No Observed Adverse Effect Concentration (NOAEC)

Lowest Observed Adverse Effect Concentration (LOAEC)

Efectos de un contaminante hipotético sobre la Eclosión de la Bailarina durante una exposición de 75 días

La Toxicología requiere de una estrategia La Toxicología requiere de una estrategia multidisciplinaria dada la complejidad y las multidisciplinaria dada la complejidad y las

diversas funciones de los organismosdiversas funciones de los organismos

La toxicidad puede ser generada por un agente químico que activa un La toxicidad puede ser generada por un agente químico que activa un receptor en particular, cambiando la función celular. receptor en particular, cambiando la función celular.

Mecanismos de Toxicidad

Estrés Oxidativo

El estrés oxidativo esun mecanismo de

toxicidad en el cual la concentración de

especies reactivas de oxígeno (ROS) en la

célula, es superior a la capacidad de la misma para controlarlas. De

esta forma, dichas especies oxidan las

macromoléculas celulares, generando

daños que pueden llegar a ser irreversibles.

Especies Reactivas de Oxígeno (ROS)

Factores de Importancia en la Generación de ROS

ROS y mecanismos antioxidantes de defensa celular

Sasaki, Y. (2007). J. Gastroenterol. 41(12):1135-48.

Sasaki, Y. (2007). J. Gastroenterol. 41(12):1135-48.

Fosforilación Oxidativa y Generación de ROS

Inducción de Estrés Oxidativo Inducción de Estrés Oxidativo por el sistema P450por el sistema P450

Inducción de Estrés Oxidativo Por Paraquat !Inducción de Estrés Oxidativo Por Paraquat !

Estrés Oxidativo y Control Celular de ROSEstrés Oxidativo y Control Celular de ROS

Sistemas Sistemas AntioxidantesAntioxidantes

Toxicidad por Formación de Enlace Covalente

En este caso, el metabolismo de un compuesto genera un intermediario “reactivo“ que puede unirse covalentemente con macromoléculas celulares, produciendo “aductos“, los cuales

pueden cambiar o deteriorar la función de la célula. Este mecanismo constituye el primer pasoen la formación de cáncer (Iniciación).

Introducción al Cáncer

Cáncer. Proceso Multi-Estado

Proceso Multiestado de la Carcinogénesis

Epidemiología

DES: Carcinoma vaginal.

Cloruro de vinilo: Hemangiosarcoma (angiosarcoma) del hígado.

bis(chlorometil)éter: Cáncer de pulmón.

ß-naftilamina y benzidina: Cáncer de vejiga.

Niquel, Uranio, Cadmio o asbesto: Cáncer de pulmón.

Humo de Cigarrillo: Causa de cáncer de pulmón, vejiga y páncreas, entre otros.

Aflatoxina B1: Cáncer de hígado.

Etiología del Cáncer

Tumores Inducidos por QuímicosTumores Inducidos por Químicos

Sitio Anatómico Químico Co-Factor

Epitelio externo del pulmón(~56% cánceres humanos) As, Asbestos

Cromo, NiquelBis(clorometil)éterHumo de tabaco Asbesto y Radón

Esófago Humo de Tabaco Alcohol

Hígado (~8%) Aflatoxina B1 Hepatitis B o C Bebidas alcohólicas

Vejiga Aminas aromáticas

Leucemia (~8%) Benceno

Sinergismo entre carcinógenosVirus, químicos y radiación, cada uno puede desencadenar reacciones en cadena que finalmente pueden terminar en cáncer. Además, cada uno de estos factores puede actuar sinergisticamente con los otros. Sinergismo es visto entre químicos (cigarette smoking y alcohol); entre químicos y radiación (en animales, daño celular con CCl4 facilita la iniciación con radiación X) y entre químicos y virus (Virus de la Hepatitis B y Aflatoxin B1).

Hepatitis B and Aflatoxin B1:

• Incremento en la muerte de células hepáticas

• Incremento en la proliferación celular hepática

• Incremento en ROS en el hígado

• HBx --- bloquea apoptosis mediada por p53

Exposición a Aflatoxina B1 es asociada con mutaciones en p53. (codón 249, position 3; G --T; G--C transversion)

Daño genético irreversible.

Químico Carcinógeno. Molécula que causa una mutación por modificación de la estructura molecular del DNA.

Correlación entre la cantidad de aductos de DNA y el número de tumores desarrollados en modelos animales.

TUMORES raramente aparecen en tejidos que no forman aductos DNA-Carcinógeno. La formación de un aducto es fundamental en la teoría de carcinogénesis química y puede ser considerado un pre-requisito necesario pero no suficiente para la iniciación.

Algunos aspectos de la iniciación de tumores están relacionados con la activación de protooncogenes.

INICIACIÓN

Agentes Químicos Iniciadores

Ruta Metabólica para la Formaciónde un Compuesto Reactivo a partir

de Hexaclorobutadieno

Benzo[a]pyrene diol epoxide

(BPDE).

Cis-butenedialdehyde (1,4-dioxo-2-butene) es un producto de la oxidación 5’ de Deoxyribose. Este compuesto reaciona con dC para

formar un nuevo aducto con un nitrógeno exocíclico.

M1G is un aducto mutagénico formado por la reacción de una guanina en el DNA con Malondialdehido, un producto de la peroxidación de lípidos. M1G es originado de una reacción de G con “base propenals”, un producto de la oxidación de C4' de deoxyribosa en el DNA. (Dedon et al. PNAS 95: 1113-1116, 2000).

Promotores de Tumores

La Conversión Maligna es la transformación de una célula preneoplásica en una que expresa el fenotipo maligno. Este proceso requiere cambios genéticos adicionales. La contribución de la promoción de tumores al proceso de Carcinogénesis es la expansión de una población de las células iniciadas, las cuales estarán en riesgo de conversión maligna. La conversión de una fracción de estas células a malignas estará acelerada en proporción a la velocidad de división celular y al número de células en división en el tumor benigno. En parte, estos cambios genéticos adicionales pueden resultar de problemas en la síntesis de DNA. La probabilidad relativamente baja de Conversión Maligna puede ser incrementada sustancialmente por la exposición de células preneoplásicas a agentes que causen daño al DNA. Este proceso parece estar mediado por la activación de proto-oncogenes y la inactivación de genes supresores de tumores.

CONVERSION MALIGNA

Oncogenes RetroviralesOncogenes Retrovirales

Oncogene (v-onc) Prototype Retrovirus Especie de Origen

src Rous sarcoma virus Pollo

myc Avian myelocytomatosis virus Pollo

erb A, erb B Avian erythroblastosis virus Pollo

myb Avian myeloblastosis virus Pollo

H-ras Harvey rat sarcoma virus Rata

K-ras Kirsten murine sarcoma virus Ratón

abl Abelson murine leukemia virus Ratón

fes Feline sarcoma virus Gato

sis Simian sarcoma virus Mono

Técnicas de HibridizaciónHibridización de oncogenes retrovirales en DNA animal, incluyendo humanos, han demostrado que copias de muchos de estos genes están presentes en el genoma de estos animales. Estos no son pro-virus integrados pero si genes animales completos que contienen sus propias secuencias controladoras. Las contrapartes celulares normales de estos oncogenes son los protooncogenes. En su estado genético normal, protooncogenes son componentes importantes de las señales celulares y la activación de la transcripción.

Si un protooncogen desarrolla una mutación somática, se pierde el control del crecimiento celular en la célula en la cual la mutación ocurre y el cáncer puede aparecer. Estos protooncogenes que pueden mutar en cualquier individuo son llamados oncogenes celulares y son designados por el prefijo "c" (c-myc, c-abl) para distinguuirlos de los oncogenes virales. Los protooncogenes para los cuales no han sido reportadas mutaciones son llamados oncogenes normales y son designados "n" (n-ras).

ONCOGENES HUMANOS

Expresión del fenotipo maligno y tendencia de las células malignas a adquirir un número mayor de características agresivas con el tiempo.

La Metástasis puede también involucrar la habilidad de las células tumorales a secretar proteasas que permiten la invasión de zonas alejadas del sitio inicial del tumor primario.

Propensidad a la inestabilidad genómica y al crecimiento incontrolado.

Activación de protooncogenes.

Inactivación de genes supresores de tumores.

Los protooncogenes pueden ser activados por mutaciones puntuales (ras gene) en regiones específicas o mediante sobreexpresión de genes (myc, raf, neu, and jun), quienes son translocados y yustapuestos a un promotor poderoso. La pérdida de función de los genes supresores de tumores ocurre por mutaciones puntuales en un alelo y pérdida del segundo por supresión o recombinación.

PROGRESION DE TUMORES

ACTIVACIÓN DE PROTOONCOGENES CELULARES

EN CÁNCER HUMANO

Protooncogene Activación por cambio cromosómico Cáncer Asociado

c-myc Rearreglo Genético

Translocation: 8-14, 8-2, or 8-22 Burkitt's lymphoma

c-abl Rearreglo Genético

Translocation: 9-22 Chronic myeloid leukemia

c-H-ras Point mutation Bladder carcinoma

c-K-ras Point mutation Lung and colon carcinoma

N-myc Gene amplification Neuroblastoma

Carcinógenos humanos conocidosCarcinógenos humanos conocidos

Exposición Exposición Humanos Humanos Animal (órgano)Animal (órgano)

4-aminobiphenyl 4-aminobiphenyl Vejiga Vejiga Vejiga Vejiga Ratón, conejo, perroRatón, conejo, perro

ArsénicoArsénico PulmónPulmón Pulmón Pulmón Ratón y HamsterRatón y Hamster

AsbestoAsbesto PulmónPulmón PulmónPulmón RataRataPleuraPleura PleuraPleura Rata, hamsterRata, hamsterPeritoneoPeritoneo PeritoneoPeritoneo Rata, ratónRata, ratón

BencenoBenceno LeucemiaLeucemia LimphomaLimphoma RatónRatón

BencidinaBencidina VejigaVejiga VejigaVejiga PerroPerro

MECANISMOS DE MUERTE CELULAR

• Necrosis

• Apoptosis

• Muerte Programada

Necrosis y apoptosis pueden ocurrir en el mismo tejido.

NECROSIS APOPTOSIS

Tipos de Muerte Celular

APOPTOSIS

Apoptosis Vs. Necrosis

Sculpting of mouse paw