INTRODUCCIÓN A LA TOXICOLOGÍA Prof Jesús Olivero Verbel

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. Tolerancia por disposición Tolerancia por respuesta reducida de un tejido. Tolerancia • 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: LD 50/ED 50 Potencia. Rango de dósis sobre los cuales un químico Potencia. produce un incremento en la respuesta biológica. Eficacia. La eficacia máxima refleja el límite de la Eficacia. 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 P 450

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 B 1: 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 B 1 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 CCl 4 facilita la iniciación con radiación X) y entre químicos y virus (Virus de la Hepatitis B y Aflatoxin B 1). Hepatitis B and Aflatoxin B 1: • Incremento en la muerte de células hepáticas • Incremento en la proliferación celular hepática • Incremento en ROS en el hígado • HBx --- bloquea apoptosis mediada por p 53 Exposición a Aflatoxina B 1 es asociada con mutaciones en p 53. (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 d. C para formar un nuevo aducto con un nitrógeno exocíclico.

M 1 G is un aducto mutagénico formado por la reacción de una guanina en el DNA con Malondialdehido, un producto de la peroxidación de lípidos. M 1 G es originado de una reacción de G con “base propenals”, un producto de la oxidación de C 4' 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 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

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" (n-ras).

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 Ratón, conejo, perro Arsénico Pulmón Ratón y Hamster Asbesto Pulmón Pleura Peritoneo Rata, hamster Rata, ratón Benceno Leucemia Limphoma Ratón Bencidina 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