TOSSICOLOGIA ANGELA SANTAGOSTINO

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1 ANGELA SANTAGOSTINO Dipartimento di scienze dell Ambiente e del Territorio piano 5 stanza 5054 Tel angela.santagostino@unimib.it Ricevimento studenti: Martedì:11-12 Giovedì: TOSSICOLOGIA

2 La tossicologia è la branca della scienza che riguarda lo studio dei veleni. Il veleno può essere definito come quella sostanza che somministrata incidentalmente o volutamente ad un organismo vivente produce effetti nocivi nell organismo stesso La definizione data è estremamente riduttiva poiché di fatto è necessario definire meglio che cosa veramente può configurarsi come veleno per gli organismi viventi e cosa significa valutare un effetto tossico

3 La tossicologia si interessa degli effetti nocivi di : 1 - Agenti chimici usati : a) in medicina (farmaci) b) nell industria alimentare (additivi alimentari) c) veterinaria (farmaci) d) in agricoltura (pesticidi fetilizzanti) e) nell industria chimica 2 - Metalli 3 - Prodotti petroliferi 4 - Tossine naturali : a) vegetali b) animali c) fungine 5 - Radiazioni eccitanti e ionizzanti 6 - Inquinanti

4 Vi sono anche più generiche definizioni per la tossicologia che sono meramente descrittive di un mestiere: lo studio della detenzione, occorrenza, proprietà, effetti, e regolamentazione delle sostanze tossiche Ci sono infatti vari campi della tossicologia: la tossicologia descrittiva che focalizza l attenzione sulla messa a punto di test tossicologici e sulla classificazione delle sostanze chimiche in base alla tossicità /ecotossicità. la tossicologia meccanicistica (o ricerca di base) che studia come sostanze chimiche o agenti fisici possano dar inizio a modifiche biochimiche o fisiologhe che esitano in un evento tossico. La tossicologia applicata che si occupa di tossicologia clinica, tossicologia ambientale, tossicologia forense ecc. e della valutazione del rischio

5 Lo studio della tossicologia ha importanza sociale sotto vari altri aspetti non si limita alla protezione dell uomo e dell ambiente come detto ma serve anche per promuovere lo sviluppo di tossici più selettivi da impiegare ad esempio come farmaci anticancro, antibiotici o per sviluppare pesticidi e fitofarmaci.

6 La tossicità raramente, se non sempre, può essere definita come un singolo evento molecolare è piuttosto una cascata di eventi che iniziano con l esposizione dell organismo, proseguono con la distribuzione del tossico nell organismo, eventualmente con processi metabolici di biotrasformazione e termina con il processo di interazione con le macromolecole bersaglio che danno origine all espressione di un end point tossico (sviluppo dell evento nocivo). Questa sequenza può essere mitigata da processi di escrezione /eliminazione e di riparazione

7 TOSSICO AMBIENTE INQUINATO esposizione ASSORBIMENTO ORGANISMI distribuzione e BIOTRASFORMAZIONE INTERAZIONE CON LA STRUTTURA BERSAGLIO EFFETTO MOLECOLARE EFFETTO CELLULARE O TESSUTALE EFFETTO SULL ORGANISMO EFFETTO SULLA POPOLAZIONE EFFETTO SULLE POPOLAZIONI (DECLINO?) EFFETTO SULLA BIOCENOSI EFFETTO SULL ECOSISTEMA TOSSICOLOGIA CLASSICA ECOTOSSICOLOGIA

8 La Tossicologia è la scienza che studia la natura e il meccanismo d azione degli effetti nocivi indotti da agenti chimici o fisici sugli organismi viventi e sui sistemi biologici in genere. I tossicologi sono impegnati anche a valutare in termini quantitativi la probabilità di insorgenza e la gravità degli effetti nocivi in relazione alle reali condizioni di esposizione.

9 Sviluppo Moderno della Tossicologia 1) Determinazione dei limiti di sicurezza di esposizione Identificazione : a) della dose o concentrazione priva di effetti (NOEL o NOEC) b) della dose giornaliera assumibile (Acceptable Daily Intake) c) della concentrazione massima accettabile (Threshold Limit Value) d) della dose virtualmente sicura (Virtual Safe Dose) Valori limite Determinazione dei criteri di Qualità (CQ)

10 2) Stima del rischio Sviluppo Moderno della Tossicologia Identificazione : a) della dose o concentrazione priva di effetti (NOEL o NOEC) b) della dose giornaliera assumibile (Acceptable Daily Intake) c) della concentrazione massima accettabile (Threshold Limit Value) d) della dose virtualmente sicura (Virtual Safe Dose) Valori di riferimento Valutazione dei livelli di Esposizione Valutazione del rischio potenziale Quantificazione delle probabilità di produrre danno in determinate specifiche condizioni

11 In pratica in questo corso impareremo a rispondere risponderemo alle domande: Perché certe sostanze chimiche o agenti fisici con cui veniamo a contatto causano il deterioramento dei sistemi biologici a vari livelli di complessità? Come possiamo misurare la loro pericolosità?

12 Tossico è un concetto quantitativo, praticamente qualunque sostanza può divenire un tossico letale a partire certe dosi/concentrazioni pur non producendo alcun tipo di effetto al di sotto di livelli decisamente più bassi. Tra questi due limiti si producono una serie di possibili effetti che vanno da una lieve tossicità cronica da esposizione per lunghi periodi ad immediata letalità.

13 Tipologia degli effetti tossici prodotti da agenti chimici e fisici TOSSICITÀ ACUTA= Effetto/i nocivo/i derivato/i da esposizione improvvisa unica o di breve durata a una relativamente elevata quantità di agente tossico. TOSSICITÀ CRONICA= Effetto/i nocivo/i derivato/i da esposizione ripetuta o molto prolungata nel tempo a relativamente piccole quantità di agente tossico. COMUNQUE L EFFETTO TOSSICO (E T ) DI UNA MOLECOLA (o Fattore fisico) DIPENDE DA: La sua concentrazione (o intensità-energia) (Q T ) La durata d esposizione (t) E T = Q T * t

14 SALUTE Rapporto Salute / Inquinamento Normalità Patologia Morte Soglia di RISCHIO Omeostasi Compensazione Sbilanciamento Rottura di equilibrio CONCENTRAZIONE INQUINANTE

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16 Tutte le sostanze sono velenose, non vi è nulla che non sia un veleno: è la giusta dose che discrimina tra veleno e rimedio (PARACELSO XVI SECOLO:) TOSSICITÀ= ROTTURA DI EQUILIBRI BIOLOGICI PER CAPIRE LA TOSSICITA DI UNA MOLECOLA O DI UN ELEMENTO BISOGNA CONOSCERE : 1. LA REATTIVITÀ CON STRUTTURE E SISTEMI BIOLOGICI 2. SE TALE REATTIVITÀ SUPERA I MECCANISMI OMEOSTATICI DEL SISTEMA O DELLA STRUTTURA BIOLOGICA CON CUI VIENE A CONTATTO.

17 L importanza della dose è ancor più evidente se si considerano i metalli essenziali (necessari alla salute) la cui carenza nella nell alimentazione produce patologia che diventano però anche gravemente tossici ad alti dosaggi (es. ferro, rame, magnesio, cobalto e zinco) La conoscenza della curva dose risposta è fondamentale in tossicologia.

18 SALUTE Normalità Elemento essenziale Patologia Elemento non essenziale Morte Range compatibile con la salute CONCENTRAZIONE INQUINANTE

19 Anche gli stessi farmaci che hanno un range di dosi per cui producono effetti biologici sfruttabili terapeuticamente da milioni di persone ma a troppo alti dosaggi (es. l Aspirina)

20 Bisogna considerare inoltre che una sostanza può divenire un tossico solo in certe circostanze: Forma disponibile all assorbimento Condizioni ambientali Presenza contemporanea di altre sostanze Tipo di organismo che subisce l esposizione.

21 Un principio che regola lo studio tossicologico in particolare quando si studiano sostanze presenti nell ambiente è che: UNA SOSTANZA POTENZIALMENTE TOSSICA PER UN ORGANISMO È INNOCUA SE NON È DIPONIBILE PER L ASSORBIMENTO!!! È quindi di fondamentale importanza in tossicologia non solo conoscere cosa succede quando una sostanza entra nell organismo, ma anche conoscere come si comporta in ambiente o nel mezzo di somministrazione, qual è la sua forma chimico fisica, quali sono i sistemi biologici con cui può venire a contatto e da cui può essere assorbita. Questo è materia dello studio della FASE DI ESPOSIZIONE

22 Disponibilità all assorbimento Fase di esposizione Fase Tossicicinetica Assorbimento e distribuzione Biodisponibilità* Biotrasformazione Interazione con le strutture bersaglio Fase Tossicodinamica EFFETTO Escrezione * Biodisponibilità= concentrazione in forma attiva in grado di interagire con le strutture bersaglio

23 UNA SOSTANZA TOSSICA PER UN ORGANISMO È INNOCUA SE NON È DIPONIBILE PER L ASSORBIMENTO!!! Fase di Esposizione Disponibilità e potenzialità d assorbimento La disponibilità all assorbimento di una sostanza dipende da: La sua forma chimico-fisica Le caratteristiche della matrice in cui si trova dispersa La potenzialità d assorbimento dipende anche da: Le caratteristiche fisiologiche, morfologiche e patologiche dell organismo con cui viene a contatto Le condizioni ambientali

24 EVAPORAZIONE DEPOSIZIONI PIOGGIE ARIA (Fotolisi, ossidazioni, riduzioni, dealogenazioni) ASSORBIMENTO ESCREZIONE ESCREZIONE ACQUA (ossidazioni, riduzioni, idrolisi ASSORBIMENTO VOLATILIZZAZIONE EVAPORAZIONE PIOGGIE DEPOSIZIONI ORGANISMI (Biodegradazione, ossidazioni, riduzioni, idrolisi) ASSORBIMENTO ESCREZIONE SUOLO E SEDIMENTI (ossidazioni, riduzioni, reattività chimica) SEDIMENTA- ZI0NE DEPOSITO ADBORBI_ MENTO EROSIONE LISCIVAZIONE DRENAGGIO

25 DISTRIBUZIONE DI ALCUNE SOSTANZE ORGANICHE NELLE FASI ACQUOSE E LIPIDICHE E INFLUENZA DEL ph

26 Solubilità dei gas in liquidi acquosi V Gas P Gas 760 V Liquido α è caratteristico del Gas e dipende dalla natura del liquido (es: contenuto di sali, di proteine ecc.)

27 Equazione di Henderson Hasselbalch Per molecole acide: Per molecole basiche: HA H ph BH e pk A a log B H A HA e BH pk a ph log B

28 Affinità delle sostanze organiche per le differenti matrici ambientali Affinità Acqua Sol. g/l Aria Log K AW Suolo Log K OC Biomassa Animale Log K OW Molto alta >1 >-2 >5 >5 >8 Biomassa Vegetale Log K OA Alta ,5 8 7 Media , Bassa Molto bassa > 10-5 <7 <1 <1 <4 K AW = coefficiente di ripartizione Aria /Acqua; K OC =costante di assorbimento al suolo (Carbonio organico/acqua); K OW = coefficiente di ripartizione Ottanolo /Acqua; K OA = coefficiente di ripartizione Ottanolo/Aria

29 La fugacità è analoga a un potenziale chimico e rappresenta la tendenza di una molecola a sfuggire da un comparto ambientale ed è espressa in Pascal (Pa) Diagramma concettuale del modello di Fugacità di McKey e Peterson ( ), è il modello semplificato basato sulla unità di mondo con sei comparti. delle seguenti dimensioni : Aria =10 10 m 3, Acqua= m 3, Suolo = m 3, Biomassa =3,5 m 3, Solidi sospesi=35m 3, Sedimento = m 3. f=c/z; dove C= concentrazione (mol/m 3 ), Z= capacità di fugacità (mol/m 3 /Pa). Quando le fasi sono in equilibrio le fugacità sono eguali

30 PM= peso molecolare S=solubilità in acqua P=tensione di vapore DATI DI IMPUT

31 LOG BF Fattore di bioaccumulo (BF) BF=Concentrazione organismo/concentrazione ambiente. In mancanza di BF determinato per via sperimentale si può ricorrere alla valutazione del coefficiente di ripartizione OTTANOLO/ACQUA (Kow) Poiché per sostanze organiche appartenenti alla medesima classe chimica vale la relazione schematizzata qui sotto: LOG [ ]ottanolo/[ ] H 2 O

32 Adsorbimento ad argille CLASSE ph basso FORMA MOLECOLARE ph alto EFFETTO DEL ph ed entità di adsorbimento ACIDO FORTE Anione Anione Scarso ACIDO DEBOLE Acido libero Anione Forte con ph pka BASE FORTE Catione Catione Forte ma diminuisce a valori di ph molto bassi BASE DEBOLE Catione Base libera Forte L adsobimento è crescente fino a che il ph è simile al pka, poi diminuisce MOLECOLE POLARI MOLECOLE NEUTRE Non ionizzato Non ionizzato Scarso Non ionizzato Non ionizzato Nullo

33 A parità di concentrazione nell'ambiente la disponibilità all'assorbimento nei vari organismi può essere diversa! Esiste il fenomeno della magnificazione delle concentrazioni nella catene trofiche determinato da BF elevati e scarsa degradabilità!! Le degradazioni biotiche e abiotiche determinano: 1. i tempi di permanenza nell ambiente, 2. la forma chimico-fisica e quindi anche 3. la reattività con le componenti ambientali e 4. i fenomeni di biomagnificazione

34 Concentrazione di DDT+ DDE in ppm nella Biomassa dei vari livelli trofici Esempio di BIOMAGNIFICAZIONE delle concentrazioni nelle catene trofiche. I dati si riferiscono al DDT e al suo metabolita DDE e la figura è tratta da Woodwell G.M., Sci. Amer.216, 24 (1967)

35 Degradabilità BIOTICA di sostanze organiche Ossidazioni riduzioni idrolisi, formazione di radicali ad opera di: Microrganismi (terreni, acqua, sedimenti) anche fino alla completa degradazione a sostanza inorganica Vegetali Animali. Soprattutto ad opera di invertebrati edafici

36 Degradabilità ABIOTICA di sostanze organiche Ossidazioni riduzioni idrolisi, formazione di radicali in aria (UV), acqua, terreni (reazioni catalizzate principalmente da argille)

37 Da Environmental Science & Tecnology 1997 vol 31,581

38 I modelli di distribuzione dei metalli sono modelli di BILANCIO DI MASSA I metalli essendo elementi non possono essere distrutti, ma subiscono in ambiente trasformazioni sia biotiche che abiotiche hanno un ciclo biogeologico ove si possono presentare sia in forma inorganica che organicata Processi complessi determinano la disponibilità dei metalli per l'assorbimento negli organismi viventi: a) capacità (anche reciproca di spiazzamento) dai legami alle componenti del suolo b) legame dei cationi bivalenti alla frazione ad alto contenuto di zolfo nel suolo e nei sedimenti

39 COMPLESSI ORGANICI LABILI COMPLESSI ORGANICI NON LABILI METALLO IONI MATERIALE PARTICOLATO COMPLESSI INORGANICI COLLOIDI RELAZIONE TRA LE PRINCIPALI FORME DI CONVERSIONE DI TRACCE DI METALLI IN ACQUE NATURALI

40 Particelle del suolo Soluzione del suolo Aria Superficie argillosa CO2?

41 Tratto da S.E. Jorgensen, Modelling in Ecotoxicology,Elsevier Science Publishers B.V.,1990