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1.7 Toxocinética
La toxocinética es el estudio del movimiento (traslado) de los
xenobióticos dentro del organismo.1 El estudio de esta etapa comprende los
procesos de absorción, metabolismo, distribución y excreción de
compuestos en los organismos vivos.1,2
Para iniciar el estudio de esta
etapa, primeramente se revisarán los principios básicos que son
responsables del transporte de las sustancias a través de las membranas
biológicas.
Transporte a través de las membranas biológicas
Un aspecto importante a considerar una vez que el xenobiótico ha
ingresado al organismo, es que tiene que atravesar varias membranas de
los diferentes compartimentos biológicos. 3
Figura 1-9. Diferentes membranas que atraviesa un xenobiótico
La forma en que los xenobióticos se trasladan a través de las
diferentes membranas son las siguientes:
a) Difusión simple (transcelular, paracelular)
b) Difusión facilitada
c) Transporte activo
d) Endocitosis/Exocitosis
e) Filtración por poros membranales
A. Difusión simple transcelular. B. Difusión simple paracelular. C. Filtración por poros membranales. D. Transporte activo o difusión facilitada. E. Endocitosis/Exocitosis.
Figura 1-10. Mecanismos de transporte para los xenobióticos
Hay una forma adicional de ingreso de sustancias, primordialmente
en el intestino delgado. Este sistema se llama persorción y se presentan
cuando las células de las vellosidades se desprenden hacia el lumen,
provocando una apertura por donde ingresan macromoléculas o partículas,
por ejemplo, partículas de almidón (Washington N., 2001).
La estructura de las membranas biológicas determina su función y
características. La más importante, desde un punto de vista toxicológico, es
que son selectivamente permeables. Solamente ciertas sustancias son
fluido intraorganelo
membrana subcelular
fluido intracelular
membrana celular
membrana capilar
fluido extracelular intersticial
fluido extracelular plasmático
membrana capilar
pielpulmonarintestinal
membrana
xenobioticoETAPA EXPOSICIÓN
fluido extracelular
fluido extracelular intersticial
absorción
traslado
del
xenibiotico
PP
EC,D
C
E
C
C
E
E
A
A
A
B
B
membrana celular
fluido extracelular
fluido intracelular
E
membrana celular
célula
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capaces de pasar a través de ellas, dependiendo de las características
fisicoquímicas que a continuación se mencionan:
- Liposolubilidad
- Polaridad y carga eléctrica de la molécula.
- Tamaño de la molécula
- Similitud a sustancias endógenas.
a) Difusión simple
Esta es la forma más utilizada por la mayoría de los xenobióticos
para transportarse en los organismos vivos. Los factores que afectan la
velocidad de este proceso son (Tabla 1-12):
a) El gradiente de concentración del compuesto en ambos lados de la
membrana.
b) Los parámetros que afectan la facilidad para que la molécula del
xenobiótico pueda moverse al interior lipofílico de la membrana:
- Coeficiente de partición (P) o Coeficiente de distribución.
- Tamaño molecular
- Grado de ionización.
Tabla 1-12. Factores que influyen en la difusión simple
Factores Transcelular Paracelular
Gradiente de concentración + + Liposolubilidad + - Tamaño molecular - + pKa + +
Cuando todos los parámetros anteriores se integran, la velocidad
con la cual una sustancia va a transportarse por las membranas biológicas,
se puede presentar mediante la siguiente relación:
Donde:
ΔC: es la diferencia entre las concentraciones de los compartimentos
separados por las membranas.
P: es el coeficiente de reparto.
Rm y Raq: son la resistencia de las membranas y de la capa acuosa contra la
difusión de los xenobióticos.
La resistencia a la difusión depende primordialmente del grosor y la
viscosidad de las capas membranales y sólo ligeramente de la estructura
del xenobiótico. Por lo tanto, Rm y Raq pueden permanecer constantes
para el transporte de una serie de xenobióticos en una membrana
particular. Bajo estas condiciones, la ecuación anterior predice que para
cualquier concentración del xenobiótico, la velocidad del trasporte se
incrementará exponencialmente con un incremento del coeficiente de
partición.
- Coeficiente de partición
Expresa el grado de solubilidad en lípidos de un compuesto. Se
define como la relación de la concentración de una sustancia, entre una
fase orgánica, generalmente 1-octanol o cloroformo, y una fase acuosa, a
un determinado valor de pH y temperatura, normalmente medidos a 25 o 37
°C. Es importante para este parámetro que la molécula no presente carga
eléctrica (Thomas G., 2000).
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El coeficiente de partición indica la facilidad con que una sustancia
puede transportarse en las membranas biológicas. Esta facilidad se
reflejará en el porcentaje de xenobiótico absorbido en el organismo
biológico en estudio. En vista de que los valores numéricos obtenidos
experimentalmente guardan diferencias de varios dígitos, se ha optado por
manejarlos en escala logarítmica; por lo que en la literatura aparece como
log P.
Dado que muchos xenobióticos son ácidos o bases débiles, se ha
propuesto la inclusión del parámetro de coeficiente de distribución (log D).
En este se indica, en forma de subíndice, el valor de pH de la fase acuosa a
la que se realizó la determinación: log DpH. En la fase acuosa se considera
la porción ionizada o no ionizada del ácido o base que esté en estudio.
Donde:
X: Xenobiótico
Para ilustrar la utilidad del coeficiente de partición en la tabla
siguiente se comparan el porcentaje de absorción de diferentes barbitúricos
en el colon de ratas con el valor numérico de este parámetro.
Tabla 1-13. Relación de la absorción de barbitúricos con su coeficiente de
partición
Barbitúrico R1 R2 Log P (Cloroformo/agua)
% absorbido en el colon de rata
Barbital Etil Etil 0.7 12 Fenobarbital Etil Fenil 4.8 20 Ciclobarbital Etil ciclohexil 13.8 24 Pentobarbital Etil 1-metilbutil 28.0 30 Secobarbital Etil secbutil 50.7 40
Los valores de comparación en los coeficientes de partición, hacen
referencia a una serie de xenobióticos, estructuralmente relacionados
(análogos), como se ejemplificó en la tabla anterior, en donde se equiparan
una serie de compuestos que pertenecen a la familia de los barbitúricos.
Figura 1-11. Estructura común para los barbitúricos enlistados en la tabla 1-13.
Es necesario señalar que el aumento infinito del coeficiente de
partición, para una serie de compuestos, no incrementará el porcentaje de
absorción para aquellos que sean los más liposolubles; ya que cuando el
valor de dicho parámetro aumenta, el % de absorción disminuye.
Los xenobióticos que son muy polares o hidrofílicos
frecuentemente presentan propiedades pobres de transporte, mientras que
aquellas muy lipofílicas, alcanzan solo un gradiente de concentración
pequeño. Para que las diversas sustancias puedan transportarse primero
se tienen que solubilizar en el agua del compartimiento donde se
encuentren presentes.
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Figura 1-12. Relación entre el coeficiente de partición y la velocidad en
membranas.
De la gráfica anterior se puede señalar que aquellas sustancias
que presentan coeficientes de partición pequeños (muy hidrofílico), se
excretarán con cierta facilidad antes de alcanzar su sitio de acción; por otro
lado, los de mayor valor de log P, se almacenarán en los depósitos
lipofílicos del organismo. Empero, hay un coeficiente de partición "ideal"
(Po), en donde el xenobiótico que lo presente, tendrá la mayor probabilidad
de alcanzar su sitio de acción.
En la tabla siguiente se muestran algunos valores de log P para varios xenobióticos y su grado de absorción en el ser humano.
Tabla 1-14. Log P y absorción oral de algunos xenobióticos
Xenobiótico log P absorción en el humano
Aspírina -1.1 Bien absorbido Atropina 1.8 Bien absorbido Cafeína 0.0 Bien absorbido Cloropromacina 3.4 Absorción lenta pero completa Diacepam 2.7 Bien absorbido Morfina -0.1 Absorbido en un 60%
Nitracepam 2.1 Bien absorbido Tetraciclina -1.4 Absorción irregular e incompleta Teofilina 0.0 Bien absorbido
- Tamaño molecular
Si la lipofilicidad se mantiene constante y el tamaño molecular
(radio cilíndrico) se incrementa, entonces habrá una menor facilidad para
atravesar las membranas biológicas debido a la resistencia por fricción o
impedimento estérico que presenten las membranas. Las moléculas de
menor tamaño pasan por filtración. El tamaño no debe ser mayor a 4 x 10-4
μm.
- Grado de ionización
Muchas de las sustancias que presentan actividad biológica son
ácidos o bases débiles, por lo que el grado de ionización que presenten a
diferentes valores de pH va a cambiar de acuerdo a su valor de pKa.
Figura 1-13. Reacciones ácido-base
Es el valor del pKa quien nos da una relación del grado o fuerza de
disociación de un ácido o base. Ejemplos de algunas sustancias con sus
correspondientes valores de pKa, se presentan en la tabla 1-15.
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R OH
O
R O-
O
+ H+
pKa
RNH3 +
RNH2 + H
+
pH > pKapH < pKa
ácido
base
Figura 1-14. Formas iónica y no iónica de ácidos carboxílicos y aminas
R
O
O-
R
O
OH
diclorometano
agua
R
O
OH
Figura 1-15. Distribución en fases orgánica y acuosa de ácidos carboxílicos
Tabla 1-15. Valores de pKa para algunos xenobióticos
Ácidos pka Bases pKa Anfóteros pKa1
(HA) pKa2 (HB
+)
Sacarina 1.6 Cafeína 0.8 Nicotina 3.1 8.0 Aspirina 3.5 Diazepam 3.3 Ampicilina 2.5 7.2 Fenilbutazona 4.5 Morfina 7.9 Anfotericina
B 5.5 10.0
Pentobarbital 8.11 Cocaína 8.5 Sulfadiazina 6.4 2.0 Acetaminofén 9.5 Anfetamina 9.8 Teofilina 8.6 3.5 Tetrahidrocanabinol 10.6 Teobromina 10.5 0.12 Bowman y Rand. Farmacología. Bases bioquímicas y patológicas. Segunda edición. Interamericana. México. 1984. pp.40.5-40.6
- Influencia del pH y el pKa en el grado de disociación de
ácidos y bases débiles
De acuerdo a la ecuación de Henderson-Hasselbalch para los
ácidos y las bases podemos expresar la relación entre su forma no iónica,
iónica y su pKa de la siguiente manera.
Así, si el pH del medio es menor que el valor numérico del pKa
entonces el compuesto se encontrará mayoritariamente en forma no iónica.
Así, si el pH del medio es mayor que el pKa entonces, el
compuesto se encontrará mayoritariamente en forma no iónica.
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Con la ecuación anterior correspondiente a los ácidos, se calculo a
diferentes valores de pH el porcentaje de la forma iónica y no iónica del
fenobarbital cuyo pKa = 7.44; los resultados se presentan en la siguiente
tabla.
Tabla 1-16. Disociación del fenobarbital a diferentes valores de pH
pH No ionizado (%) Ionizado (%)
2.0 100.0 0.00 4.0 99.96 0.04 6.0 96.17 3.83 7.0 71.53 28.47 8.0 20.07 79.93
10.0 0.25 99.75 12.0 0.00 100.0
La relación entre el pKa y pH va a jugar un papel importante debido
a que al cambiar los valores del segundo se altera la relación iónica y no
iónica del xenobiótico.
De manera general, se acepta que la forma no ionizada (más
lipofílica) de un ácido o una base es la que atraviesa la membrana, y no la
forma iónica de la misma. Aunque esta última es más hidrosoluble, el
incremento en el coeficiente de partición al pasar de la forma iónica a la
forma no iónica, generalmente excede en varios órdenes de magnitud a la
pérdida de solubilidad que se pudiese presentar por la misma conversión.
Por lo anterior, el coeficiente de partición de la forma no iónica de un ácido
o una base, se puede relacionar con el pKa del mismo compuesto mediante
las siguientes ecuaciones:
Si se conoce el valor del pKa, y el log D a un pH determinado,
entonces se podrá calcular el valor de log P de la especie no ionizada (log
PHA o log PB).
- Relación de concentraciones en dos lados de una
membrana biológica a diferentes valores de pH
Un ejemplo de las relaciones anteriores, lo constituye el ácido
salicílico y su distribución en dos compartimentos biológicos con valores de
pH diferentes.
Jugo gástrico Plasma
Ac. Salicílico
Salicilato
Ac. Salicílico
Salicilato
pH = 7.4pH = 1
(100)
(1)
(100)
(1000 000)
Figura 1-16. Relación del ácido salicílico a diferentes valores de pH
b) Difusión facilitada
Esta forma de transporte prácticamente no es utilizado por los
xenobióticos. Los parámetros importantes a considerar son:
- Requiere de un acarreador
- Necesita de un gradiente de concentración
- No implica un gasto de energía
- Es un proceso saturable.
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Ejemplo de compuestos que utilizan este tipo de trasporte:
azúcares, aminoácidos en los glóbulos rojos.
c) Transporte activo
Los aspectos relevantes a considerar en este tipo de transporte
son:
- Requiere de un acarreador
- No necesita de un gradiente de concentración
- Requiere de un gasto de energía
- Es saturable
Para que un xenobiótico pueda utilizar este transporte debe
presentar una similitud estructural con alguna de las sustancias que se
encuentran de manera natural en el organismo. Ejemplo:
NH
NH
O
O
NH
NH
O
O
F
Uracilo 5-Fluorouracilo
Figura 1-17. Estructuras similares del Uracilo y el 5-Fluorouracilo
El transporte activo juega un papel importante en la excreción de
sustancias tóxicas por el riñón. En este órgano se han identificado 2 tipos
de este transporte, uno para compuestos ácidos y otro para compuestos
básicos. Por lo que respecta al hígado, se han reportado 3 diferentes tipos
de transporte activo, uno para ácidos, uno para bases y uno para
compuestos neutros.
d) Endocitosis/Exocitosis
Invaginación que provoca una célula hacia una partícula sólida
(fagocitósis) o pequeñas porciones de líquido (pinocitósis). Este sistema es
importante para la trasportación de macromoléculas y liposomas.
Absorción
La absorción es el proceso de transferencia de un xenobiótico
desde su sitio de ingreso al organismo hasta su llegada a la circulación
general. Los sitios de absorción más importantes para los xenobióticos que
ingresan al organismo son:
a) Tracto gastrointestinal
b) Tracto respiratorio
c) Piel
Para conocer la influencia de la absorción en la toxicidad de un
xenobiótico, se comparan sus valores de DL50 obtenidos por varias rutas de
administración.
Tabla 1-17. Influencia de la ruta de administración en la toxicidad
Ruta de administración
Pentobarbital (DL50 mg/Kg)
Isoniacida (DL50,
mg/Kg)
Procaína (DL50,
mg/Kg)
oral 280 142 500 subcutánea 130 160 800 intramuscular 124 140 630 intraperitoneal 130 132 230 intravenosa 80 153 45
Datos de toxicidad en ratones. La vía intravenosa se reporta para establecer la toxicidad sin que intervenga el proceso de absorción.
De los datos mostrados se desprende que el pentobarbital se
absorbe con mayor eficacia por la vía intramuscular, luego por la
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subcutánea o la intra-peritoneal, y por último, la oral, en esta ruta, es donde
se presenta el menor riesgo de intoxicación por esta sustancia. Para la
procaína la ruta donde que presenta el mayor riesgo de toxicidad es la intra-
peritoneal. Puede anotarse que en la isoniacida, el proceso de absorción no
decide el grado de toxicidad, ya que los valores de las diferentes rutas de
administración, incluyendo la intravenosa, son parecidas.
a) Tracto gastrointestinal
Es importante marcar que el término absorción gastrointestinal de
xenobióticos implica la determinación de la concentración de la sustancia
en plasma después de su ingreso por la ruta oral. Un término adicional es la
“permeación” o traslado celular que implica el paso de un xenobiótico por
una membrana plasmática.
Los factores que afectan la absorción gastrointestinal de una
sustancia son:
- Velocidad de disolución y tiempo de desintegración de la forma
farmacéutica
- El pH de la porción gastrointestinal y el valor de pKa que presente
el xenobiótico
- Vaciamiento gástrico
- Área de absorción
- Transporte a través de las células (Liposolubilidad y tamaño de
partícula del xenobiótico),
- Inestabilidad química y metabolismo del xenobiótico a nivel de
membrana intestinal y/o por la presencia de microflora.
Figura 1-18. Factores que influyen en la absorción en el tracto gastrointestinal
- Velocidad de disolución y tiempo de desintegración de la
forma farmacéutica.
La disolución de los xenobióticos, tanto in vitro como in vivo, es
principalmente gobernado por la solubilidad acuosa de los mismos. La
velocidad de disolución (R) de una sustancia en particular en un medio
acuoso, es directamente proporcional a la solubilidad de la misma (S):
R=K*S
Donde K es una constante que refleja la velocidad de agitación en
el medio de disolución, y también el área superficial de las partículas de la
sustancia en cuestión. Si una sustancia se solubiliza con facilidad en agua
(>1g/100mL) entonces se podrá disolver con facilidad logrando estar
disponible para su posterior absorción.
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- pH de la porción gastrointestinal
Los valores de pH a lo largo del tracto gastrointestinal presentan
variaciones, lo que afecta el comportamiento de los xenobióticos que
poseen propiedades de ácidos débiles o bases débiles. Tomando en cuenta
solo las propiedades ácido-base y asumiendo que la absorción se dará por
difusión simple, solo la forma no iónica será capaz de atravesar las
membranas, y por tanto, se espera que los compuestos ácidos se absorban
en el estómago, y los compuestos básicos en el intestino delgado. Sin
embargo, es necesario puntualizar, que las diferentes sustancias tanto
básicas como ácidas, se van a absorber también a nivel de intestino
delgado, ya que la mayoría de los xenobióticos son ácidos o bases débiles
y el valor de pH de esta región anatómica (5-8 dependiendo de la zona) es
adecuado para su absorción por difusión simple. Además,
independientemente del valor del pH que aquí se manifieste, el intestino
delgado presenta las condiciones óptimas de área de absorción y
vascularización que permiten sea el sitio de absorción preferencial de la
mayor parte de los nutrientes y xenobióticos.
- Vaciamiento gástrico
Determina el paso de alimentos del estómago hacia la parte
superior del intestino delgado. Este proceso puede acelerarse o retardarse
según ciertas circunstancias.
Figura 1-19. Regiones y valores del pH del tracto gastrointestinal
Tabla 1-18. Factores que promueven o retardan el vaciamiento gástrico
Promueven el vaciamiento gástrico Retardan el vaciamiento gástrico
Soluciones buffer alcalinas Alimentos grasosos y viscosos Estados de ansiedad Estados de depresión Hambre Úlceras Hipertiroidismo Hipotiroidismo Alimentos fríos Alimentos calientes
Para los xenobióticos que tienen velocidades de disolución muy
lenta, un vaciamiento gástrico retardado favorecerá su proceso de
absorción; ya que tendrán más tiempo para que una cantidad mayor de
esta sustancia se logre solubilizar; por otro lado, aquellos compuestos con
velocidades de disolución altas, su absorción se verá favorecida con un
Duodeno
pH = 5-6.5
ileón
pH =7-8
Cavidad oral
Glándulas salivalesParotidaSubmandibularSublingual
FaringeLengua
HígadoVesícula biliar
Conducto biliar
Esófago
pH =6.8
Páncreas
CiegoApéndice
Recto
Ano
Cólon transversoColón ascendente
Colón Descendente
pH = 5.5-8
Conducto pancreático
Estómago pH =1-3
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vaciamiento gástrico acelerado, porque les ayudaría a ingresar al intestino
delgado rápidamente para absorberse en mayor proporción.
- Área de contacto
El intestino delgado presenta mayor área de ingreso debido a la
presencia de las vellosidades de la mucosa intestinal.
Figura 1-20. Capa serosa y muscular del intestino delgado
Las diferentes sustancias que alcanzan el intestino delgado
ingresan a través de las vellosidades intestinales que presentan un área
mayor para que se realice este proceso. El intestino tiene un excelente
suplemento de flujo sanguíneo, lo cual asegura que el xenobiótico
absorbido se remueva rápidamente, logrando de esta forma mantener el
gradiente de concentración (sink condition).
A pesar de que el tiempo de residencia del contenido
gastrointestinal es mayor en el colon (Tabla 1-19), el área de contacto del
duodeno y yeyuno es la que determina la mayor cantidad de “permeación”
del xenobiótico.
Tabla 1-19. Tiempo de residencia del contenido gastrointestinal
Región Longitud (m)
Área (m2) pH Residencia m.o
Esófago 0.3 0.02 6.8 > 30 s ¿? Estómago 0.2 0.2 1-3 1.5 h < 10
2
Duodeno 0.3 0.02 5-6.5 > 5 min < 102
Yeyuno 3 100 6.9 1-2 h < 102
Íleon 4 100 7-8 2-3 h < 107
Colon 1.5 3 5.5-8 15-48 h < 1011
m.o.: microorganismos
- Transporte a través de las células
Figura 1-22. Vellosidad intestinal y el ingreso de xenobióticos
Figura 1-21. Áreas del
intestino delgado para la “permeación” de
xenobióticos
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24 Profesores: Francisco Hernández Luis, María Elena Bravo Gómez, Perla Castañeda López, Francisco Sánchez Bartes
En este parámetro hay que considerar la liposolubilidad y el tamaño
de partícula del xenobiótico. Estos aspectos ya han sido revisados al inicio
de la presente unidad.
- Inestabilidad química y metabolismo a nivel de membrana
intestinal y/o por la presencia de microflora
La descomposición de los xenobióticos es un factor importante en
la absorción gastrointestinal. Los compuestos lábiles en el medio ácido,
tales como penicilina, se hidrolizan en el estómago con un valor de pH de 1.
Péptidos como la insulina, oxitocina, vasopresina, son destruidos por las
enzimas proteolíticas digestivas. En la membrana intestinal también se
presentan enzimas que pueden transformar a los compuestos que
presenten grupos funcionales susceptibles; ejemplos de este tipo de
modificaciones lo presentan el isoproterenol (isoprenalina) y la
cloropromacina. Además de la descomposición por enzimas del organismo
humano, algunos compuestos pueden ser transformados por las enzimas
secretadas por los microorganismos que viven como comensales en el
intestino grueso, ejemplos de este tipo de xenobióticos son el
succinilsulfatiazol y el ftalilsulfatiazol. En algunos casos los compuestos
logran transformarse en entidades con mayor actividad biológica, ejemplo
de ello son presentados por el propranolol, alprenolol.
Un ejemplo de esto es la toxicidad de los glucósidos cianogénicos
presentes en las semillas de manzanas, duraznos, cerezas y almendras en
la forma de amigdalina, la cual es inestable en el medio ácido estomacal y
libera cianuro. Otro ejemplo importante, es la formación por parte de la flora
intestinal de nitrosaminas carcinogénicas a partir de aminas y nitritos no
carcinogénicos[1, 2]. Cabe resaltar que algunos nitritos como el nitrito de
sodio se emplea como conservador de algunos alimentos cárnicos y puede
representar un riesgo para la presentación de cáncer de colon.
NH
OH
OH
OH
CH3
CH3
O
NH
OH
CH3
CH3
Isoproterenol Propanolol
S
NH
NH
O
O
O
O
N
OH
S
S
NH
NH
O
O
O
O
N
OH
S
O NH
CH2
OH
CH3
CH3
Ftalilsulfatiazol Alprenolol
Succinilsulfatiazol
Figura 1-23. Sustancias que logran bioactivarse en el tracto gastrointestinal
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25 Profesores: Francisco Hernández Luis, María Elena Bravo Gómez, Perla Castañeda López, Francisco Sánchez Bartes
b) Tracto respiratorio
Regiones básicas del tracto respiratorio y zonas sensibles que
pueden afectar los procesos de absorción
Regiones básicas:
- Región nasofaríngea
- Región traqueobronquial
- Región alveolar.
Figura 1-24. Estructuración del sistema respiratorio
Los pulmones presentan una gran área de absorción, alrededor de
50 a 100 m2 en el hombre; presentan una excelente irrigación sanguínea y
la barrera entre el aire en los alvéolos y la corriente sanguínea es tan
delgada como el grosor de dos capas de células.
Debido a esta circunstancia anatómica de los alvéolos, la absorción
desde el pulmón es muy rápida y eficiente.
Tamaño de la partícula sólida y líquida
Según sea el tamaño de partícula se irán reteniendo en la porción
del sistema respiratorio.
- Región nasofaringe: Partículas de 5 μm de diámetro o mayores
- Región traqueobronquial: Partículas de 2 a 5 μm de diámetro
- Región alveolar: Partículas menores o iguales a 1 μm.
Después que las partículas han sido depositadas en la región
alveolar, pueden ser disueltas y absorbidas al torrente sanguíneo. Si estas
partículas no son fácilmente solubles, entonces son fagocitadas y
transferidas directamente al sistema linfático donde pueden permanecer
almacenadas por un periodo considerable de tiempo. La absorción de
partículas puede ser controlable por la solubilidad y características de
transferencia de la propia membrana.
Gases y vapores
El grado de absorción depende de la solubilidad del compuesto
gaseoso. Compuestos muy solubles pueden ser absorbidos por un solo
movimiento de respiración. Para tales compuestos un incremento del flujo
sanguíneo no afecta su velocidad de absorción; la única forma de
incrementarla es aumentar la ventilación pulmonar.
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Para gases que son poco solubles en la sangre, presentan una
capacidad limitada de absorción. El torrente sanguíneo se satura
rápidamente y la única forma de incrementar su paso a través de las
membranas, es incrementando el flujo sanguíneo.
Tabla 1-20. Solubilidad de algunas sustancias en el plasma
Insolubles Solubles Ligeramente solubles
NOx NH3 X2 AsO3 HCl O3 CoCl SO2 PCl4
HF H2SO4
c) Piel La piel está constantemente expuesta a sustancias extrañas tales
como gases, disolventes, soluciones, por lo que la absorción de las mismas
es potencialmente importante. Sin embargo, aunque la piel presenta una
gran superficie de exposición, su estructura es tal que presenta una barrera.
Esto se debe a que la capa más externa se forma por células muertas o
células empaquetadas con queratina, con escaso riego sanguíneo. Los
tóxicos atraviesan por difusión pasiva presentando propiedades de
liposolubilidad. La abrasión de la piel puede incrementar la absorción
porque se daña el estrato corneo. Un incremento en el grado de hidratación
favorece la absorción.
Es importante mencionar que la piel es el órgano metabolizante
más grande y más accesible, expresa muchos citocromos P450 (al menos
13 CYP2) que tienen funciones críticas en el metabolismo de substratos
endógenos y exógenos. La mayoría de estos genes se expresan en la
epidermis o queratinocitos. Este hecho se relaciona directamente con
algunas sustancias tóxicas que pueden ser metabolizadas en la piel.3
Distribución
Procesos de distribución
Después de que los compuestos han sido absorbidos, pasan al
torrente sanguíneo. La parte del sistema vascular en la cual el compuesto
se encuentra dependerá del sitio de absorción. La absorción por la piel
implicará, en primera instancia, a la sangre periférica; por otro lado, si la
absorción fue por vía pulmonar, entonces el compuesto estará en la
corriente sanguínea mayor. Para la mayoría de compuestos absorbidos por
vía oral, la vena porta será la responsable de acarrearlos hacia el hígado y
de allí al torrente sanguíneo.
Una vez que los xenobióticos se encuentran en el torrente
sanguíneo, se distribuirán por todo el cuerpo y serán diluidos por la sangre.
Los factores que influyen el proceso de distribución de xenobióticos
son:
- Propiedades fisicoquímicas del xenobiótico
- Gradiente de concentración del xenobiótico entre los diferentes
compartimentos del organismo
- Riego sanguíneo que reciben los diferentes órganos y tejidos
- Unión del xenobiótico a proteínas sistémicas.
Unión a proteínas
Un indicador importante acerca de los procesos de distribución con
implicaciones toxicológicas es la interacción de xenobióticos con las
proteínas plasmáticas y algunas macromoléculas en otros órganos y
tejidos. Las evaluaciones realizadas en los laboratorios para xenobióticos
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27 Profesores: Francisco Hernández Luis, María Elena Bravo Gómez, Perla Castañeda López, Francisco Sánchez Bartes
en plasma, se basan en la cuantificación, tanto del xenobiótico libre como el
enlazado. El conocimiento de la fracción de xenobiótico libre podría ser de
mayor utilidad clínica para aquellos compuestos que están fuertemente
unidos a componentes del plasma, porque solamente el xenobiótico libre es
capaz de interaccionar en su sitio de acción para producir el efecto.
La unión de xenobióticos a los componentes del plasma involucra
primeramente a la albúmina, α1-glicoproteína, u otras lipoproteínas.
Aproximadamente 6.5% de la sangre es proteína, de los cuales el 50% es
albúmina. Esta proteína tiene un peso aproximado de 69000 D, y al pH de
la sangre (7.4) presenta carga negativa. Los compuestos ácidos se unen
preferencialmente a esta macromolécula. Las sustancias básicas se unen
primariamente a la α1-glicoproteína, la cual tiene un peso molecular de
40000 D con 41% de carbohidratos, y está presente en el plasma a la
concentración de 0.08 g/10mL
El tipo de interacción molecular involucrada entre un xenobiótico y
las macromoléculas del plasma, es de tipo ión-ión, puentes de hidrógeno,
fuerzas de van der Waals y enlaces hidrofóbicos. La presencia de grupos
iónicos en la estructura del xenobiótico parece incrementar su afinidad
hacia la albúmina. Los compuestos en el plasma generalmente se
presentan en equilibrio entre la forma enlazada y la forma libre.
En la siguiente tabla se presentan algunos xenobióticos que se
unen significativamente a proteínas plasmáticas.
Tabla 1-21. Unión de algunos xenobióticos a proteínas plasmáticas
Unión a albúmina Unión a α1-glicoproteína Unión a lipoproteína
Ac. Acetilsalicílico Dipiridamol (anticoagulante)
Amitriptilina (antidepresivo)
Barbitúricos Disopiramida (anticolinérgico)
Nortriptilina (antidepresivo)
Benzodiazepinas Etidocaina (anestésico local)
Digitoxina (antidisrítmico)
Imipramina (antidepresivo)
Estreptomicina Lidocaína Fenilbutazona (antiinflamatorio)
Metadona (narcótico)
Fenitoina (antiepiléptico)
Peracina (psicotrópico)
Penicilina Prazosin (simpatolítico) Probenecid (uricosúrico) Propranolol Sulfonamidas Quinidina (anticolinérgico) Tolbutamida Verapamil (vasodilatador) Warfarina
El xenobiótico unido a proteína por su gran tamaño está limitado a
atravesar las membranas biológicas, por lo que su distribución en los tejidos
desde la sangre se verá reducida.
Uno de los aspectos a considerar en el campo de la toxicología es
el que se presenta cuando ciertos compuestos llegan a desplazar a otras
sustancias que se encuentran unidas a proteínas. Este desplazamiento
puede ocasionar:
- Aumento de la eficacia terapéutica del fármaco desplazado
- Incremento de la toxicidad del xenobiótico desplazado
- Redistribución en varias partes del cuerpo del xenobiótico
desplazado
- Potenciación de la actividad biológica del xenobiótico desplazado
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28 Profesores: Francisco Hernández Luis, María Elena Bravo Gómez, Perla Castañeda López, Francisco Sánchez Bartes
1.8 Toxodinámica
Las respuestas toxicológicas provocadas por sustancias químicas
en los seres vivos son iniciadas por interacciones moleculares de las
mismas con las células, los tejidos u otros componentes del organismo. Hay
muchas formas por las cuales un agente químico puede interferir con la
bioquímica y fisiología normal de las células. En este capítulo se van a
indicar cuáles son los sitios generales de acción tóxica de los compuestos y
que ilustran al mismo tiempo, sus diferentes mecanismos de acción.
Un aspecto importante a considerar en el campo de la toxicología
es que la manifestación de un efecto biológico por una sustancia, no es un
evento simple. Algunas veces no basta que la sustancia alcance su sitio
“blanco” para desencadenar el trastorno clínico, ya que podrían presentarse
diferentes alternativas que se indican en la siguiente figura.
A, B, C, X, Y, Z, a, b, c: representan cambios indefinidos y no relacionados, los cuales pueden o no tener consecuencias. B1, B2, B3, MB1, MB2, MB3 son sitios diana (“blancos”) antes y después de la modificación por el agente tóxico. Tomado y adaptado de Trends Pharmacol. Sci. 1981; 2:228-231.
Figura 1-25. Aspectos toxodinámicos integrados con algunos componentes
toxocinéticos
Factores que influyen en los efectos tóxicos
Al estudiar el efecto tóxico de las diferentes sustancias, es
importante considerar de manera integral, varios factores que van a jugar
un papel determinante y constituyen elementos necesarios para su
evaluación. Estos factores son:
- Las características de exposición (aguda, crónica, ruta de ingreso,
etc.)
- Las características de exposición (aguda, crónica, ruta de ingreso,
etc.)
- La dosis del compuesto (DL50, dosis fraccionada, etc.)
- La estructura molecular y propiedades fisicoquímicas e la sustancia
(Log P, solubilidad, pKa)
- Tipo de efecto tóxico producido.
- Características genéticas del organismo expuesto. (Figura 25)
*Hemoglobinemia: presencia de hemoglobina en plasma. Hemoglobinuria: presencia de hemoglobina en orina
Figura 1-26. Ejemplo de la importancia de las características genéticas del
organismo expuesto para presentar efectos tóxicos.
Tipo de efecto tóxico producido
El tipo de efecto deseable o indeseable que una sustancia pueda
presentar, en ocasiones se califican según los intereses de quien lo está
(signos clínicos, sínto-
mas o síndromes)
toxicidad
no tóxico
no tóxico
consecuencias para
el organismo(cambios secundarios en
composición o morfologia)
cambios bioquímicos
y fisiológicos
A, B, C
a, b, c
X,Y, Z
MB3
MB2
MB1
biosíntesis
B3
B2
B1
reacción primaria
(interacción covalente o
disociable con macromo-
léculas, membranas, etc.)
etapa
toxocinética
excreción
metabolismo
protóxico
tóxico
entrada del
xenobiotico
al organismo
exposiciónetapa de
amplificación
del cambio
biológico
etapa toxodinámica
Exposición a haba
(Vicia faba)
Deficiencia congénita en
Glucosa 6-fosfato deshidrogenasa
Favismo; hemólisis, anemia,
hemoglobinemia*, hemoglobinuria
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evaluando. Ejemplo de esto, se presenta a continuación con la atropina y la
reserpina.
Tabla 1-22. Efectos de la atropina
Efecto Oftalmólogo Internista
Deseado Midriasis Espasmolítico Indeseado Espasmolítico Midriasis
Tabla 1-23. Efectos de la reserpina
Efecto Cardiólogo Psiquiatra
Deseado Hipotensión Sedación Indeseado Sedación Hipotensión
Sin embargo algunos efectos son verdaderamente indeseables
cuando se presentan. Estos se denominan efectos adversos y se dividen en
mayores o menores, según logren poner en peligro la existencia del
individuo.
Tabla 1-24. Ejemplos de reacciones adversas mayores que presentan algunos
xenobióticos
Colapso vascular periférico Choque anafiláctico Cardiopatías Atrofia de órganos y tejidos Coma Ulceraciones Cambios en la glucosa sanguínea (severos)
Cáncer Pancreatitis
Cambios en la presión arterial (severos)
Convulsiones Teratogénesis
Exacerbaciones (úlcera péptica, infecciones)
Hemorragias Mutaciones
Discrasias sanguíneas (anemia aplásica)
Disfunción renal Encelopatía
Aumento severo de la libido Disfunción hepática Bromismo Actividad psicomotora descontrolada
Depresión respiratoria
Reacciones en la piel (severa) Daño ocular irreversible
Fotosensibilidad (severa) Inmunosupresión Reducción severa de la libido Depresión tiroidea Depresión mental severa Toxicología perinatal
Tabla 1-25. Ejemplos de reacciones adversas menores de algunos xenobióticos
Acidosis intestinal Anorexia Debilidad y fatiga Calambres Diarrea suave Vértigo Desvanecimientos Euforia Sueño Fiebre (grado bajo) Hipo Dolor de cabeza Inflamación de la lengua (glositis)
Náuseas, vómito Parestesia suave
Faringitis Infamación gástrica Prurito anal Irritación a la piel (ligera) Estreñimiento Vaginitis
Para reportar reacciones adversas:
- http://www.cofepris.gob.mx/wb/cfp/farmacovigilancia_canal
- http://www.salud.gob.mx/unidades/cofepris/pyp/farmaco/Guia_estu
dios_clinicos_1_1_.pdf
Desde el punto de vista de la naturaleza de los efectos biológicos
estos se pueden clasificar de la siguiente manera
Tabla 1-26. Tipos de reacciones según la naturaleza del efecto biológico
Reacción Definición
Tipo A Pueden ser predichas de sus acciones farmacológicas conocidas; frecuentemente se identifican como una exageración del efecto farmacológico. Son dependientes de la dosis administrada. Algunos ejemplos son:
a) por sobredosis: hemorragia por anticoagulantes b) por efecto colateral: somnolencia por antihistamínicos de
primera generación; hemorragia por anti-inflamatorios no esteroidales.
c) por efectos secundarios: hopopotasemia (baja concentración del catión potasio) por algunos diuréticos.
Tipo B No son predecibles del efecto farmacológico. Muchas personas no presentas estas reacciones a ninguna dosis administrada.
Tipo C Reacciones que pueden ser predichas o racionalizadas en función de la estructura del compuesto administrado o de sus metabolitos.
Williams D.P.; Naisbitt, D.J. Toxicophores: Groups and metabolic routes associated with increased safety risk. Current Opinion in Drug Discovery and Development. 2002, 5, 104-115
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Para fines de aplicación regulatoria, las definiciones y
características de las reacciones adversas se establecen en la NOM 220-
SSA1-2002.
Mecanismos de acción tóxica de los compuestos químicos
Los mecanismos por los cuales algunos compuestos provocan sus
efectos tóxicos se enlistan en la tabla 1-27. Esta lista se incrementará a
medida que las investigaciones arrojen nuevos resultados.
A lo largo de todo el curso se irán presentando la mayoría de los
mecanismos mencionados con los ejemplos específicos de las sustancias
que los utilizan y las consecuencias toxicológicas que desencadenan. En el
presente capítulo sólo mencionaremos a dos de ellos, la interferencia con la
producción de energía celular y la unión a biomoléculas.
Tabla 1-27. Algunos mecanismos generales de la acción tóxica
Unión a macromoléculas
Actividad enzimática (arsénico, mercurio, organofosfatos, fluoroacetato de sodio) Proteínas de transporte (monóxido de carbono, nitritos) Interferencia con las funciones del sistema inmune. Peroxidación de lípidos (tetracloruro de carbono, paraquat, ozono) Generación de radicales libres Formación de lípidos hidroperóxidos. Estrés oxidante Disminución de glutatión (acetaminofén) Oxidación de grupos tioles en proteínas. Ácidos nucleicos: ADN y ARN (agentes alquilantes, agentes intercalantes)
Interferencia con la producción de energía celular
Inhibición y desacoplamiento de la fosforilación oxidativa (nitrofenoles) Inhibición del transporte de electrones (rotenona, cianuro) Inhibición del metabolismo de carbohidratos (fluoroacetato)
Interferencia con las interacciones normales ligando-receptor
Neuroreceptores y neurotransmisores (por ejemplo: benzodiazepinas, barbitúricos, atropina, estricnina, LSD, organofosfatos, antihistaminas)
Receptor para hidrocarburos aromáticos policíclios (receptor Ah) Receptores hormonales (dioxinas como el TCDD, goiestrógenos)
Interferencia con las funciones de las membranas
Membranas excitables: Flujo iónico (saxitoxina, tetrodoxina, DDT) Fluidez de la membrana (disolventes orgánicos, etanol, anestésicos locales) Membranas en organelos Membranas lisosomales (tetracloruro de carbono) Membranas mitocondriales (organoestaños)
Perturbación en la homeostasis del calcio
Alteraciones del citoesqueleto Activación de fosfolipasas Activación de proteasas Activación de endonucleasas
Toxicidad por pérdida de células selectivas
Desbalance hormonal y fisiológico (pérdida de neuronas dopaminérgicas; insuficiencia tiroidea) Alteraciones congénitas
Alteraciones genéticas no letales en células somáticas
Cáncer Alteraciones congénitas.
Figura 1-27. Interferencia con las funciones normales ligando-receptor
receptor receptor
receptor
ligando
receptor
xenobiotico
Interacción normal
Interferencia por el xenobiotico
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Interferencia con la producción de energía celular
- Inhibición y desacoplamiento de la fosforilación oxidativa
La fosforilación oxidativa es un proceso metabólico que utiliza
energía liberada por la oxidación de nutrientes para producir ATP.
Inhibidores de la fosforilación oxidativa (inhiben a la ATP sintetasa)
- Oligomicina (antibiótico)
- Diciclohexilcarbodiimida (DCC)
Figura 1-28. Desacopladores de la fosforilación oxidativa
Los agentes desacopladores permiten el transporte de electrones
pero previenen la fosforilación de ADP para convertirse en ATP. El primer
agente desacoplante fue el herbicida 2,4-dinitrofenol. Muchos agentes
desacopladores son ácidos débiles, lipofílicos y generalmente tienen un
anillo aromático. Entre los agentes desacoplantes conocidos se encuentran
fenoles halogenados, nitrofenoles, dicumarinas, carbonilcianidas,
fenilhidrazonas, salicilanilidas, atebrina (antimalárico) y arsenatos.
O OOO
OHOH
dicumarol
OH
NO2
NO2
2,4-dinitrofenol
OH
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
pentaclorofenol
NHN
NC
NC
OCF3
carbonilcianuro-p-trifluorometoxihidrazona (FCCP)
{[4-(trifluoromethoxi)fenil]hidrazono}malononitrilo
Figura 1-29. Xenobióticos que provocan desacoplamiento de la fosforilación
oxidativa
Los agentes desacopladores ocasionan un “corto circuito” al
provocar una corriente de protones a través de las membranas
mitocondriales, las cuales son impermeables de manera normal. Estos
eventos desencadenan un incremento en el consumo de oxígeno y en la
producción de “calor”. En seres humanos, se presentan hipertermia, e
incluye síntomas de respiración rápida, náusea y coma. La muerte ocurre
de manera rápida por hipertermia fatal.
Inhibición del transporte de electrones
El ión cianuro es uno de los agentes venenosos de más rápida
acción. Es fácilmente absorbido por todas las rutas, incluyendo la piel, las
mucosas, y por inhalación. La ingestión de pequeñas cantidades de ión
cianuro o del gas cianuro de hidrógeno (HCN) provoca la muerte en
NADPH +H+
NADP+
-2e- , 2H+ ATP sintetasa
ADP
ATP
transporte de
electrones
(proceso
exotérmico)
(proceso
endotérmico)
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cuestión de minutos u horas, dependiendo de la ruta de exposición. El
químico Karl Wilhelm Scheele, descubridor del HCN, murió al aspirar los
vapores de este compuesto. El ión cianuro forma parte de algunos venenos
para ratas, polvos pulidores para plata y otros metales, soluciones
fotográficas, y productos para fumigación. El cianuro también está presente
en las semillas de manzanas, duraznos, cerezas y almendras en la forma
de amigdalina, un glucósido cianogénico o en frijoles y forrajes (sorgo).
La amigdalina, un ingrediente del Laetrile (antineoplásico), está
formada por glucosa, benzaldehído y cianuro. El ión cianuro puede ser
liberado del glucósido por la acción de la β-glucosidasa (emulsina),
presente en la pulpa de las semillas trituradas y en la microflora intestinal
de los mamíferos. Por esta razón, la amigdalina puede ser más tóxica por
vía oral que por vía intravenosa.
Otra fuente potencial de ión cianuro es el fármaco nitroprusiato de
sodio (nitroferricianuro de sodio), el cual es utilizado en el tratamiento de la
hipertensión. Sobredosis de este compuesto han provocado problemas de
intoxicación por cianuro.
Entre los síntomas por intoxicación por cianuro se presentan una
rápida salivación, dolor de cabeza, vértigo y dificultad respiratoria.
Típicamente, el cianuro tiene un sabor amargo, además de un olor a
almendras. Se ha estimado que entre un 20% a 40% de la población es
genéticamente incapaz de detectar el olor a cianuro.
Fe
NO2
CNNC
NC CN
CN
-2
2Na+
O
OOH
HH
H
H
HOHOH
O
OOH
HH
H
H
HOHOH
OH
CN
amigdalina nitroprusiato de sodio
Figura 1-30. Amigdalina y nitroprusiato de sodio
El cianuro ejerce su efecto tóxico al bloquear el transporte de
electrones en la secuencia de citrocromos mitocondriales a-a3 como se
muestra en la siguiente figura. Estos citocromos son referidos como
citocromo oxidasa. El cianuro forma un complejo de coordinación con el
grupo hem del citocromo a3, con esto previene la unión del grupo hem con
el oxígeno. Como resultado de la inhibición por el cianuro, la transferencia
de electrones del citocromo a3 hacia el oxígeno molecular es bloqueada y la
célula muere.
Figura 1-31. Mecanismo de acción del cianuro
El tratamiento para el envenenamiento con cianuros está dividido
en tres etapas. Primero se administra nitrito de amilo (gas) por vía
Cit c+3
Cit c+2
Cit a+2
Cit a +3
Cit a3+3
Cit a3+2
H2O
½ O2 HbO2
HCN
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respiratoria, seguida por administración intravenosa de nitrito de sodio.
Estas sustancias oxidan al Fe(II) del grupo hem en la hemoglobina para
generar la metahemoglobina. El ión férrico de la meta-hemoglobina se
combina con el cianuro del plasma, provocando una disociación del cianuro
que se encuentra unido en el citocromo a3. Después de la administración de
nitritos, se administra tiosulfato de sodio vía intravenosa; esta sustancia es
un sustrato para la enzima rodanasa (tiosulfato sulfotransferasa) que
cataliza la conversión del cianuro a tiocianato, el cual es excretado
fácilmente.
Figura 1-32. Etapas en el tratamiento contra el envenenamiento con cianuros
Otras sustancias que presentan un mecanismo de acción
semejante al cianuro son las azidas y el sulfuro de hidrógeno (H2S).
Unión a biomoléculas
Otro de los mecanismos de acción tóxica se presenta cuando los
compuestos se unen a alguna macromolécula que desempeñe alguna
función biológica importante (enzimas, ADN, ARN, lípidos). Aunque en los
próximos capítulos ilustraremos esta forma de acción con varios ejemplos,
en el presente sólo citaremos dos casos, la interferencia sobre el sistema
inmune y la interacción de una sustancia endógena con macromoléculas
biológica.
Figura 1-33. Unión reversible e irreversible a biomoléculas
Figura 1-34. Molécula de la hemoglobina (Imagen tomada del Protein Data
Bank 1GZX)
HbO2 MetHb CNMetHb
NO2-1 CN-1
S2O3-2
SCN-1CN-1+
rodanasa+ SO3
-2
CH3 O
CH3
N
O
Nitrito de amilo
NaNO2
IV
Cit a3
CN-1
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Interferencia sobre el sistema inmune
El sistema inmune puede ser afectado por una amplia variedad de
agentes tóxicos. Cuatro tipos de respuestas se pueden ocasionar:
- Hipersensibilidad. Respuesta incrementada a un xenobiótico
específico con el consecuente daño tisular.
- Inmunosupresión. Efecto directo sobre órganos y células del
sistema inmune que provoca una respuesta disminuida.
- Inmunoestimulación. Incremento en la actividad de órganos o
células del sistema inmune que puede provocar una respuesta
inmunológica incrementada.
- Autoinmunidad
Figura 1-35. Efectos de los xenobióticos sobre el sistema inmune
Las reacciones de hipersensibilidad se pueden provocar por los
cuatro mecanismos mostrados en la figura 1-35.
La reacción de Tipo I (anafilaxia) es inmediata, y esta mediada por la
IgE (y en menor extensión por IgG4 en seres humanos) unida, vía sus
receptores Fc, a basófilos o a membranas de células cebadas. La unión de
antígenos a estas inmunoglobulinas, libera histamina, prostaglandinas,
leucotrieneos y quimioatractores de neutrófilos y eosinófilos. Estos mediadores
causan vasodilatación, incrementan la permeabilidad capilar, bronco-
constricción e inflamación. La urticaria, el asma y la anafilaxia provocadas por
fármacos se presentan por esta alteración inmunológica. Un ejemplo lo
constituye la reacción anafiláctica a penicilina.
Figura 1-36. Reacciones de hipersensibilidad
Tipo I Tipo IVTipo IIITipo II
asma, rinitis
alérgica,
anafilaxia
sistémica
discrasia
sanguínea por
xenobiotico
enfermedad
del suero,
reacción de
Arthur
dermatitis por
contacto
dermatitis por
contacto,
reacción a
la tuberculina
Macromolécula (proteína)
xenobiotico (hapteno)
respuesta inmunológica
X
célula del sistema inmune
xenobiotico
componentes
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Tabla 1-28. Xenobióticos que causan hipersensibilidad
Xenobiotico Tipo de reacción
aditivos de alimentos (colorantes azo, BHT, BHA) Tipo I anhídridos ftálicos Tipo I antimicrobianos (parabenos) Tipo IV berilio Tipo I, IV compuestos de platino Tipo I. cromo Tipo IV formaldehído Tipo IV mercurio, oro Tipo II, III, IV níquel Tipo I, IV penicilina, quinina, tetraciclina Tipo I, II, III, IV resinas y plastizantes (tolueno, diisocianato) Tipo I, IV.
La reacción de Tipo II (citolítica) es iniciada cuando anticuerpos
tales como la IgG, IgM, IgA, se unen a antígenos tisulares específicos.
Ciertas células tienen receptores Fc, tales como las células K o ciertos
macrófagos, que se unen a la porción Fc de los anticuerpos enlazados y en
consecuencia son activados y lisan las células blanco. Este proceso es
conocido bajo el nombre de citotoxicidad celular dependiente de anticuerpo
(DAC). De manera similar el sistema complemento es activado cuando se
enlaza de forma cruzada a la porción Fc de dos moléculas de IgG, o una
molécula de IgM, cada una de las cuales está unida a la superficie celular.
Varios fármacos, incluyendo las penicilinas, sulfonamidas y quinina pueden
estimular la formación de anticuerpos, y producir la lisis de glóbulos rojos.
La reacción Tipo III (precipitina tóxica) involucra la unión de
anticuerpos con antígenos multivalentes. Ellos se forman en donde el
antígeno se forma y se libera de la superficie celular. Esto provoca la
deposición de complejos anticuerpos / antígenos en la piel y membranas.
La reacción inmune a estos complejos puede causar inflamación de la piel,
articulaciones, riñones, lupus eritematoso, reacción de Arthus (Nicholas
Maurice Arthus).
Finalmente, la reacción de Tipo IV (hipersensibilidad mediada por
células) a diferencia de las anteriores, es causada por la interacción de
antígenos con linfocitos T y no con anticuerpos. Los linfocitos T reconocen
el antígeno y entonces reclutan otras células para provocar una respuesta
inflamatoria al antígeno. La dermatitis por contacto al níquel es causada por
este tipo de respuesta.
Para que un xenobiótico provoque una respuesta inmune necesita
ser metabolizado para formar un conjugado con una macromolécula
(acarreador) que le dará sus características antigénicas. Esto nos lleva a
tomar en cuenta dos consideraciones que involucran la localización de
dicha biotransformación y las propiedades químicas de los metabolitos
generados. Si el xenobiótico es predominantemente activado dentro de un
órgano específico, y sus metabolitos son altamente reactivos y de vida
corta, la formación del conjugado, y subsecuentes reacciones alérgicas, se
presentarían en lugares bien localizados; ejemplo la hepatitis provocada por
el halotano. En contraste, si el xenobiótico es metabolizado en varios
órganos, o es transformado en metabolitos con valores de vida media
suficientes para trasladarse a sitios distantes, entonces se presentarán
efectos múltiples en varios órganos y tejidos, por ejemplo, aquellas
manifestadas por las respuestas de Tipo I y Tipo III.
Algunos de los xenobióticos reportados que manifiestan toxicidad
sobre el sistema inmune ya sea por alteraciones humorales o celulares se
presentan en la siguiente tabla.
Unidad 1. Introducción a la toxicología Departamento de Farmacia, Facultad de Química, UNAM.
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Tabla 1-29. Xenobióticos que presentan inmunidad humoral y/o celular
Xenobiótico Tox I Hm I C Xenobiótico Tox I Hm I C
acetaminofén T + alprenolol D +
salicilatos A, As, U + tolbutamida HA +
relajantes musculares
A + alopurinol D, U +
eritromicina H + cefamandol T +
difenilhidantoína H, SS + halotano H + +
clorpropamida HA + hidralazina DLE +
metildopa HA, N, H + clanidanol HA +
quinina, quinidina
T + probenecid HA +
penicilinas As, D, U, A
+ + penicilamina N +
etiniloestradiol Th + procaínamida DLE +
ciclofosfamida A, U + amoxicilina HA +
captopril U, D, Ne + + Tox: toxicidad; I Hm: Inmunidad humoral; I C: inmunidad celular; A: anafilaxia; As: asma; D: dermatitis; H: Hepatitis; H.A.: anemia hemolítica; Ne: nefritis; N: neutropenia; T: trombocitopenia; Th: Trombosis; U: urticaria; DLE: Lupus eritematoso inducido por fármacos.
La inmunosupresión se puede ocasionar por:
a) Interferencia con el crecimiento celular o con su proliferación,
provocando una baja de la capacidad de dicho sistema
b) Destruir directamente los componentes del sistema inmune.
c) Distorsionar los mecanismos de reconocimiento por lo que reducen
la respuesta inmune
Tabla 1-30. Sustancias que provocan inmunosupresión
Xenobiótico Xenobiótico
Antitumorales (6-mercaptopurina, azatioprina, ciclofosfamida, ciclosporina)
Benceno
Hidrocarburos aromáticos policíclicos Insecticidas (organoclorados,
organofos-forados, carbamatos) Drogas (etanol, cannabinoides y opiáceos)
Metales (plomo, mercurio, níquel, cadmio) Organometálicos (metilmercurio)
El benceno causa linfocitopenia pero también afecta otros
componentes de la médula ósea. El resultado funcional es una deficiencia
en la inmunidad mediada por células. Los trabajadores expuestos al
benceno presentan una baja inmunidad humoral, que se ha evidenciado por
una disminución del complemento y concentraciones de inmunoglobulinas.
En los seres humanos, el efecto de la inmunosupresión puede
provocar un incremento de las infecciones bacteriales, virales y parasitarias.
Por ejemplo las personas expuestas a bifenilos policlorados son más
susceptibles a sufrir infecciones respiratorias, mientras que los niños
expuestos al plomo padecen de diarrea bacteriana.
electrófilo + nucleófilo → enlace covalente
O
O
+ O
NH
SH
R2
O
R1
O
NH
S
R2
O
R1
O
O
cisteína en
una proteínaquinona aducto de cisteína
y quinona
Figura 1-37. Unión covalente
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37 Profesores: Francisco Hernández Luis, María Elena Bravo Gómez, Perla Castañeda López, Francisco Sánchez Bartes
Tabla 1-31. Algunos nucleófilos y electrófilos
Electrófilo Nucleófilos
Carbón en dobles enlaces polarizados (quinonas, cetonas a,b-insaturadas) Carbón en epóxidos, haluros de arilo. Carbocatión bencílico Carbocatión alquílico
suave
duro
Azufre en tioles (glutatión y tiol en residuos de cisteína). Azufre en metionina Nitrógeno en amino primarios y secundarios de proteínas. Nitrógeno en amino de purinas Oxígeno de purinas y pirimidinas Oxígeno en el fosfato de ácidos nucléicos
Curtis D. Klassen, et al. Casarett and Doull´s Toxicology. 6th ed. Mac Graw Hill, New
York. 2001.p. 45
Los biomarcadores de citotoxicidad
El término de citotoxicidad se utiliza para denotar que un
xenobiótico ha ocasionado daño letal a una célula sin indicar el mecanismo
de acción implicado.
El parámetro que se utiliza para denotar la citotoxicidad de un
xenobiótico es la CL50 (concentración letal cincuenta que representa la
muerte del 50% de células expuestas a un compuesto en un rango de
concentraciones. Gráficamente este término se representa de la siguiente
forma.
Figura 1-38. Concentración letal 50 y viabilidad celular
El término CL50 conceptualmente es similar al de la DL50. Sin
embargo es importante distinguir el ámbito de sus aplicaciones.
Tabla 1-32. la CL50 y la DL50
Parámetro Unidad Evaluación
CL50* mM, μM, nM In vitro
DL50 mg/Kg In vivo CL50: Concentración letal media; DL50: Dosis letal media; *En algunos textos se puede indicar el mismo concepto como CI50: Concentración inhibitoria media, o CT50: Concentración tóxica media.
El valor de la CL50 de compuestos se puede calcular mediante
algunos software, ejemplo Master Plex (http://www.miraibio.com/elisa-
curve-fit) estructurado para manejar los datos arrojados por lectores de
ELISA. También existe un software disponible de la EPA:
http://www.epa.gov/ordntrnt/ORD/NRMRL/std/qsar/qsar.html
Para el manejo de datos y el análisis estadístico para determinar la
CL50 se puede consultar:
Unidad 1. Introducción a la toxicología Departamento de Farmacia, Facultad de Química, UNAM.
38 Profesores: Francisco Hernández Luis, María Elena Bravo Gómez, Perla Castañeda López, Francisco Sánchez Bartes
http://www.biology.ed.ac.uk/archive/jdeacon/statistics/tress4.html#Transfor
mationofdata
Otros parámetros a evaluar in vitro sobre la exposición de líneas
celulares a xenobioticos en un determinado tiempo (ejemplo 24 h) son:
GI (growth inhibitiion): Inhibición del crecimiento; TGI: inhibición total del
crecimiento; CL50: concentración letal.
Tabla 1-33. Evaluación de los parámetros GI, TGI y CL50 en línea celular
Cantidad de células inicial
Cantidad de células después de 24 h
Parámetro,
2 000 000 4 000 000 Control negativo (sin xenobiotico)
2 000 000 3 000 000 GI50 2 000 000 2 000 000 TGI 2 000 000 1000 000 CL50
http://www.cancer.gov/cancertopics/pdq/cam/cancell/HealthProfessional/page8
La representación gráfica de los parámetros antes mencionados se
presenta a continuación.
Figura 1-39. GI, TGI y CL50
Tabla 1-34.. Ejemplo de citotoxicidad en la línea celular HeLa
Compuesto GI50 (μM) TGI (μM) CL50 (μM)
Etopósido 3.56 40.18 87.54
Wellington K. W. et al. Bioorganic and Medicinal Chemistry 2012, 20, 4472-
4481.
Para determinar la viabilidad celular se pueden utilizar diferentes
indicadores para tal efecto.
Tabla 1-35. Sustancias usadas como biomarcadores de citotoxicidad
Indicador Característica
MTT
Las sales de tetrazolio (MTT, amarillo) son convertidas a cristales de formazan ( púrpura insolubles) por las enzimas deshidrogenasas mitocondriales de las células vivas.
XTT Su comportamiento es similar al MTT solamente que su sal de tetrazolium formada es soluble en agua
Rojo neutro
El rojo neutro es captado por las células (específicamente por los lisosomas y endosomas). Sólo la células viables son capaces de retener el colorante.
Azul de tripano
El colorante no es retenido por las células viables.
Sulforodamina
En condiciones ácidas la sulforodamina se une a los aminoácidos básicos de las proteínas intracelulares de las células viables. En condiciones básicas se disocia y se puede evaluar en el medio de cultivo por absorbencia a 564 nm..
Azul Kenacida Determina las proteínas totales al ingresar a la célula
Resazurina (azul de alamar)
La resazurina (azul no fluorescente) es reducida a resorufina (rojo fluorescente) por deshidrogenasas mitocondriales de la células viables. La resorufina se difunde al medio de cultivo donde es cuantificada.
Putman K.P. et al. Toxicology in Vitro 2002, 16, 599-607.
Unidad 1. Introducción a la toxicología Departamento de Farmacia, Facultad de Química, UNAM.
39 Profesores: Francisco Hernández Luis, María Elena Bravo Gómez, Perla Castañeda López, Francisco Sánchez Bartes
Figura 1-40. Indicadores de viabilidad celular
Figura 1-41. Ensayo MTT
Una de las células usadas para detectar la citotoxicidad de un
xenobiótico es el linfocito (célula sanguínea mononucleada). Al respecto,
se presenta a continuación los datos comparativos de citotoxicidad en
linfocitos de humano, perro, rata y ratón para ilustrarnos las diferentes
sensibilidades de esta evaluación.
Tabla 1-36. CL50 de xenobióticos en linfocitos de diferentes especies
log CL50 ±DE* (CL50, μM)
Compuesto Humano Perro Rata Ratón
5-Fluorouracilo
(>10000)
2.65 ± 0.21 (460)
3.36 ± 0.22 (2300)
(>10000)
Melfalan 2.28± 0.11 (190)
2.14 ±0.11 (140)
2.29 ± 0.28 (200)
1.92± 0.18 (84)
Cisplatino 1.42 ± 0.08 (26)
0.98± 0.16 (9.5)
(>100)
1.27 ± 0.07 (18)
Taxol 0.51 ± 0.07 3.8
0.41 ± 0.12 2.6
0.47 ± 0.14 (2.9)
0.19 ± 0.08 (1.5)
Prednisolona (>1000) (>1000) (>1000) (>1000) *DE: desviación estándar Hassan S.B. et al. Toxicology in Vitro 2007, 21, 1174-1181.
Otro de los métodos para evaluar la citotoxicidad de xenobióticos
es mediante el uso de líneas celulares. En este ámbito se presentan dos
grupos generales: las líneas primarias derivadas de células normales (ej.
fibroblastos- célula del tejido conjuntivo) y las líneas secundarias obtenidas
de tumores malignos (cancerosos). A continuación se presenta algunas de
las líneas comercialmente disponibles de la colección europea. También
existe la colección ATTC.
Tabla 1-37. The European Collection of Cell Cultures (ECACC)
Attached Cell Lines Name Species and tissue of origin Morphology MRC-5 (Prod. No. 84101801)
Human lung Fibroblast
HELA (Prod. No. 93021013) Human cervix Epithelial VERO (Prod. No. 84113001) African Green Monkey
Kidney Epithelial
NIH 3T3 (Prod. No. 93061524)
Mouse embryo Fibroblast
L929 (Prod. No. 85011425) Mouse connective tissue Fibroblast CHO (Prod. No. 85050302) Chinese Hamster Ovary Fibroblast BHK-21 (Prod. No. 85011433)
Syrian Hamster Kidney Fibroblast
HEK 293 (Prod. No. 85120602)
Human Kidney Epithelial
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40 Profesores: Francisco Hernández Luis, María Elena Bravo Gómez, Perla Castañeda López, Francisco Sánchez Bartes
HEPG2 (Prod. No. 85011430)
Human Liver Epithelial
BAE-1 (Prod. No. 88031149)
Bovine aorta Endothelial
Suspension Cell Lines Name Species and tissue of origin Morphology NSO (Prod. No. 85110503) Mouse myeloma Lymphoblastoid-
like U937 (Prod. No. 85011440) Human Hystiocytic
Lymphoma Lymphoblastoid
Namalwa (Prod. No. 87060801)
Human Lymphoma Lymphoblastoid
HL60 (Prod. No. 98070106) Human Leukaemia Lymphoblastoid-like
WEHI 231 (Prod. No. 85022107)
Mouse B-cell Lymphoma Lymphoblastoid
YAC 1 (Prod. No. 86022801)
Mouse Lymphoma Lymphoblastoid
U 266B1 (Prod. No. 85051003)
Human Myeloma Lymphoblastoid
SH-SY5Y (Prod. No. 94030304)
Human neuroblastoma Neuroblast
Figura 1-42. Evaluación de la actividad citotóxica
Tabla 1-38. Ejemplos de aplicación de la CL50 medido con MTT
Línea celular Compuesto Tiempo, h CI50, μM
K562 Quinifurilo 24 2 ± 0.90
(leucemia-humana) 12 12 ± 2.20 Nitracrina 24 0.12 ± 0.07 6 2.2 ± 0.06
P388 Quinifurilo 24 1.1 ± 0.20 (leucemia-ratón) Nitacrina 24 0.16 ± 0.06
6 0.5 ± 0.13 NIH3T3 Quinifurilo 24 1.2 ± 0.17
(fibroblasto-ratón) 12 11 ± 2.10 Nitacrina 24 0.13 ± 0.04 12 1.4 ± 0.20
Cada valor de CL50 representa (M ± DE) de dos a cinco series de experimentos completamente independientes con cinco a 6 repeticiones para cada serie.
Marcelo M. Rosas, et al. Pharmacological Research 2003, 48, 369–375
Estas determinaciones tienen diferentes puntos finales ó “end
point”. En otros métodos se utiliza la presencia de proteínas totales o de
alguna enzima intracelular como biomarcador; ejemplo la lactato
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deshidrogenasa (LDH). La presencia de las proteínas o de la enzima indica
que las células se rompieron.
ácido láctico ácido pirúvicoLDH
NAD+ NADPH + H+
tetrazolium INT
(amarillo)formazán
(rojo) diaforasa
30 a 60 min
490 nm
Figura 1-43. Reacción para evaluar la actividad LDH
Algunas ventajas de este método son:
- no utiliza material radiactivo
- operativamente sencillo de llevar a acabo
- el tiempo de reacción es corto (30-60 min)
- no requiere centrifugación
- la absorbencia correlaciona con las células lisadas
- datos reproducibles
En la tabla 1-39 se presentan algunos datos de la citotoxicidad del
CdCl2 evaluada por distintos métodos en dos diferentes líneas celulares.
Figura 1-44. Determinación de lactato deshidrogenada como biomarcador de
citotoxicidad
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Tabla 1-39. CL50 de líneas hepáticas expuestas a CdCl2
3 h 5 h 8 h 24 h
HTC Rojo neutro
200 μM ± 2.25 80 μM ±1.26 40 μM ±6.53 20 μM ± 3.31
MTT 100 μM ±
14.47
proteína 200 μM ±2.25
LDH 80 μM ± 16.11
HepG2
Rojo neutro
300 μM ± 7.88 100 μM ±0.84 80 μM ±1.90 8 μM ± 0.21
MTT 500 μM ±1.96 100 μM ±8.39 40 μM ±3.53 15 μM ± 5.02
proteína 300 μM ±1.01 10 μM ±0.02
LDH 5 μM ± 5.35
M ± ESM (error estándar medio) (n = 3). Análisis con t-student. Fotakis G. Toxicology Letters 2006, 160, 171–177.
En términos generales, la muerte de una célula se puede presentar
ocasionada por apoptosis o por necrosis
Tabla 1-40. Características de apoptosis y necrosis
Características Apoptosis Necrosis
Estimulo Fisiológico o patológico Patológico Ocurrencia Células únicas Grupo de células Reversibilidad Limitada Limitada
Nivel celular Forma de la célula Contracción y formación
de cuerpos apoptóticos Abultamiento con posterior desintegración
Adhesión entre células Alterada desde el principio
Alterada al final del evento
Fagocitósis por otras células
Presente Ausente
Inflamación exudativa Ausente Presente
Nivel de organélos Menbrana Presenta forma de
ampollas Ampollas previas a la lísis
Citoplasma Abultado en las últimas etapas
Abultados al inicio del evento
Permeabilidad mitocondrial
Presente Presente
Núcleo Cariorrexis Cariólisis
Nivel bioquímico Activación génica Presente Ausente Requerimiento de síntesis protéica
Presente Ausente
Liberación de enzimas lisosomales
Ausente Presente
Activacion de enzimas no lisosomales
Presente Presente
Activacion de caspasas Presente Ausente Cambio en el citoesqueleto
Presente Presente
Niveles de ATP requeridos
Alto Bajo
Figura 1-45. Cambios celulares durante la apoptosis
Otro ejemplo lo constituye la muerte ocasionada por aminotriptilina,
un antidepresivo tricíclico a células de fibroblastos.
Unidad 1. Introducción a la toxicología Departamento de Farmacia, Facultad de Química, UNAM.
43 Profesores: Francisco Hernández Luis, María Elena Bravo Gómez, Perla Castañeda López, Francisco Sánchez Bartes
Determinación de apoptosis en fibroblastos después de una exposición a amitriptilina por -caspase 3 (1:100, Cell Signalling Technology, USA) .
La fluorescencia del citoplasma indica actividad de la caspasa 3 y su ausencia en el control (sin amitriptilina) A. (C y D) condensación nuclear visulaizada con tinción Hoechst (flecha) Moreno-Fernández A.M. et al. Toxicology 2008, 243, 51–58.
Figura 1-46. Apoptosis causada por amitriptilina
En caso de información sobre el daño toxicológico de
contaminantes en organismos del suelo, agua y aire se puede consultar el
sitio “ECOTOX Data Base” de la Environmental Protection Agency (EPA):
http://cfpub.epa.gov/ecotox/
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