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INTRODUCCIÓN A LA
TOXICOLOGÍA
Prof. Jesús Olivero Verbel. Ph.D.
Grupo de Química Ambiental y Computacional
Universidad de Cartagena
TOXICIDAD
Cualquier efecto adverso en la estructura
o función de un sistema biológico
por un agente químico o físico
EFECTO ADVERSO
Puede incluir tanto efectos no deseados
como cualquier alteración del estado basal que
disminuye la habilidad de un organismo para
sobrevivir, reproducirse o adaptarse a
su medio ambiente
TOXICOLOGÍA
Conceptos
Ruta de exposición
•Intravenosa
•Inhalación
•Intraperitoneal
•Subcutánea
•Intramuscular
•Intradérmica
•Oral
•Dérmica.
Duración y frecuencia de exposición.
Aguda, subaguda, subcrónica y crónica.
TOXICOLOGIA
Conceptos
•Tolerancia: Disminución de los efectos inducidos por un
tóxico en virtud de la exposición anterior al mismo ó a un
agente químico de similar estructura.
•olerancia por disposición
T
Tolerancia por respuesta reducida de un tejido.
•
•Potencia. Rango de dósis sobre los cuales un químico
produce un incremento en la respuesta biológica.
•Eficacia. Magnitud de la respuesta asociada con un
efecto farmacológico o toxicológico. Por lo general,
comparada con el agente que genera la máxima respuesta.
TOXICOLOGIA
Conceptos
• Curva Dósis - Respuesta.
• Indice Terapéutico: LD50/ED50
•otencia. Rango de dósis sobre los cuales un químico
P
produce un incremento en la respuesta biológica.
•ficacia. La eficacia máxima refleja el límite de la
E
relación dósis-respuesta sobre el eje de la respuesta
frente a cierto químico.
Dosis – Respuesta
En 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
Efectos de un contaminante hipotético sobre la Eclosión
de la Bailarina durante una exposición de 75 días
No Observed Adverse Effect Concentration (NOAEC)
Lowest Observed Adverse Effect Concentration (LOAEC)
La Toxicología requiere de una estrategia multidisciplinaria
dada la complejidad y las diversas funciones de los organismos
Mecanismos de Toxicidad
La toxicidad puede ser generada por un agente químico que activa un
receptor en particular, cambiando la función celular.
Estrés
Oxidativo
El estrés oxidativo es
un 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.
Fosforilación Oxidativa y Generación de ROS
Sasaki, Y. (2007). J. Gastroenterol. 41(12):1135-48.
Inducción de Estrés Oxidativo
por el sistema P450
Inducción de Estrés Oxidativo Por Paraquat !
Estrés Oxidativo y Control Celular de ROS
Sistemas
Antioxidantes
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 paso
en la formación de cáncer (Iniciación).
Introducción al Cáncer
Cáncer. Proceso Multi-Estado
Proceso Multiestado de la Carcinogénesis
Etiología del Cáncer
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.
Tumores Inducidos por Químicos
Sitio Anatómico
Epitelio externo del pulmón
(~56% cánceres humanos)
Químico
Co-Factor
As, Asbestos
Cromo, Niquel
Bis(clorometil)éter
Humo 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 carcinógenos
Virus, 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)
INICIACIÓN
Daño genético irreversible.
Químico Carcinógeno. Molécula que causa
modificación de la estructura molecular del DNA.
una mutación por
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 DNACarcinógeno. 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.
Agentes Químicos Iniciadores
Ruta Metabólica para la Formación
de 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
CONVERSION MALIGNA
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.
Oncogenes 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 virusPollo
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
ONCOGENES HUMANOS
Técnicas de Hibridización 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 provirus 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" (nras).
PROGRESION DE TUMORES
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.
ACTIVACIÓN DE PROTOONCOGENES CELULARES
EN CÁNCER HUMANO
Protooncogene
Activación por cambio cromosómico
c-myc
Rearreglo Genético
Translocation: 8-14, 8-2, or 8-22
c-abl
Cáncer Asociado
Burkitt's lymphoma
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 conocidos
Exposición
Humanos
Animal (órgano)
4-aminobiphenyl
Vejiga
Vejiga
Ratón, conejo, perro
Arsénico
Pulmón
Pulmón
Ratón y Hamster
Asbesto
Pulmón
Pleura
Peritoneo
Pulmón
Pleura
Peritoneo
Rata
Rata, hamster
Rata, ratón
Benceno
Leucemia
Limphoma
Ratón
Bencidina
Vejiga
Vejiga
Perro
MECANISMOS DE MUERTE CELULAR
• Necrosis
• Apoptosis
• Muerte Programada
Necrosis y apoptosis pueden ocurrir en el mismo tejido.
Tipos de Muerte Celular
NECROSIS
APOPTOSIS
APOPTOSIS
Apoptosis Vs. Necrosis
Sculpting of mouse paw