INDICADORES BIOLÓGICOS

Dra. Gabriela Eguren - Facultad de Ciencias

BIOMARCADORES

Cambio en una respuesta biológica que puede ser relacionada a la exposición a, o al efecto tóxico de, un compuesto químico ambiental/mezcla.

Respuesta biológica: Pueden ser respuestas a diferentes niveles de organización jerárquica: molecular, bioquímico, fisiológico, etológico, poblacional, comunitario y ecosistémico.

El uso de BK está limitado principalmente a cambios causados por compuestos químicos ambientales. Cuidado con otras variables que modulan la expresión de la respuesta que se está evaluando.

BASES PARA EL USO DE BIOMARCADORES

Homeostasis: mantenimiento de las condiciones internas relativamente estables luego de un cambio.

Dado que algunos organismos no mantienen una verdadera homeostasis sino que responden al cambio de forma tal que el efecto neto sobre un sistema fisiológico particular sea estable o tienda a la estabilidad.

En este contexto, la homeostasis es considerada como el mantenimiento de la función corporal dentro de un rango de parámetros normales para el organismo.

Por tanto para el uso de BK es necesario conocer el rango normal de valores de la respuesta seleccionada a nivel poblacional.

BASES PARA EL USO DE BIOMARCADORES

Homeostasis implica adaptación al estrés para que el organismo pueda continuar funcionando. Entonces un BK apropiado es aquel que responde a cambios no naturales, que pueden o no ejercer efectos deletéreos y que son medidos fuera del rango homeostático.

UMBRAL DE RIESGO

MUERTE

Homeostasis

SALUD

ESTRES

compensación

enfermedad

MECANISMO DE ACCIÓN TÓXICA

La acción tóxica de un contaminante está influenciada por su biodisponibilidad, ruta de exposición, nivel y tiempo de exposición.

La primera reacción del organismo frente a un tóxico es a nivel molecular y celular en los tejidos u órganos blanco. Diferentes mecanismos que conducen a la inhibición o activación de rutas metabólicas. Pueden ser reversibles o irreversibles. Ejemplos: formación de micronúcleos, activación de enzimas de detoxificación e inhibición de acetilcolinas (Ache y Bche).

MECANISMO DE ACCIÓN TÓXICA

Respuestas subletales de compensación y reparación pueden prevenir el daño. Si estas barreras son superadas se desencadenan mecanismos en cascada tendientes a contrarrestar la acción del tóxico y se expresan otras respuestas en el siguiente nivel de organización jerárquica.

A nivel individual: Célula - Tejido - Órgano y Sistemas.

A nivel poblacional: cambios en frecuencia génica (expresión de genes recesivos), en la estrategia reproductiva (edad de maduración, épocas de desove, número de puestas).

A nivel de comunidades: cambios en composición específica (en proporción, aparición y desaparición de especies) y en la abundancia.

Efectos a diferentes niveles de organización jerárquica

Organismo Población Comunidad/Ecosistema

Adaptaciónfisiológica

Función

Extinción Diversidad

CLASIFICACIÓN DE BIOMARCADORES SEGÚN LA RESPUESTA BIOLÓGICA MEDIDA

Biomarcadores de exposición: indican que la exposición a un compuesto o clase de compuesto químico a ocurrido. Son cambios que pueden estar directamente relacionados a un compuesto químico o grupo. Los cambios en el BK indican la biodisponibilidad del contaminante y la magnitud del mismo puede relacionarse directamente al grado de exposición. O pueden no relacionarse a compuestos específicos.

Biomarcadores de efecto: respuestas que indican que ha ocurrido tanto exposición como efectos adversos.

CLASIFICACIÓN DE BIOMARCADORES SEGÚN EL COMPUESTO QUÍMICO

Biomarcadores Específicos: son respuestas biológicas provocadas por la exposición a un compuesto o clase de compuestos químicos particular. Ejemplos: inducción del citocromo P450 1A en respuesta a contaminantes orgánicos como PCB o Dx y Fx; inhibición de las colinesterasas por organofosofrados o de la ALAD por plomo.

Biomarcadores generales: son respuestas más integradoras que son provocadas por diferentes grupos de compuestos químicos, no permiten identificar el agente causante del efecto. Ejemplos: cambios histopatológicos (acumulación de lípidos, necrosis, aparición de tumores, cirrosis, hiperplasia o hipertrofia), daños en la estabilidad de la membrana lisosómica, inducción de metalotioneina.

RELEVANCIA DE RESPUESTA BIOLÓGICA

Las respuestas en niveles inferiores de organización (molecular y celular) son generalmente más específicos en relación al compuesto o clase de compuesto químicos.

Los efectos a niveles superiores como individual, poblacional y de comunidades son menos específicos y están fuertemente influenciados por estresores naturales (estado fisiológico del organismo, etapa del ciclo de vida, competencia, predación, etc.).

Para interpretar y diferenciar entre efectos ecológicos debidos a agentes naturales o químicos ambientales es necesario relacionar respuestas poblacionales a una batería de respuestas más específicas que permiten establecer relaciones de causalidad.

BAJA IMPORTANCIA ECOLÓGICA

ENZIMAS DETOXIFICANTES

INMUNOLÓGICA

HISTOPATOLÓGICA

ÍNDICES BIOENERGÉTICOS

DE CONDICIÓN

POBLACIÓNCOMUNIDAD

COMPETENCIA

REPRODUCTIVA

FISIOLÓGICA

BIOQUÍMICA

ALTA IMPORTANCIA ECOLÓGICA

ESTRATEGIA JERÁRQUICA PARA EL USO DE BIOMARCADORES

Batería de BK relativamente baratos, rápidos y generales

Selección de respuestas fisiológicas o patológicas a una amplia variedad de compuestos químicos que reflejen problemas en el ecosistema.

Integran los efectos de los agentes estresores a los que el organismo está expuesto y permiten entender la susceptibilidad y estado de salud de un organismo.

Ejemplos: reserva energética total, análisis hematológico.

ESTRATEGIA JERÁRQUICA PARA EL USO DE BIOMARCADORES

BK que permitan identificar el agente químico causante del problema

Proveen información de la clase de compuesto químicos e información sobre el mecanismo de acción tóxica y su progresión.

Ejemplos: formación de aductos en el DNA, inhibición de Ache.

Monitoreo a largo plazo

Usando BKS para evaluar la recuperación del sistema , complementado con análisis químico y estudios a nivel de ecosistemas.

APLICACIONES

Evaluación ambiental

Identificación y determinación de la distribución geográfica de los efectos de compuestos químicos ambientales - Gradientes de contaminación vs. respuestas biológicas. Muestreo de organismo centinela o colocación en jaula, para determinación de una batería de BK.

Monitoreo a largo plazo

Establecimiento de líneas de base. Evaluación de los cambios temporales de las respuestas en áreas sometidas a descarga de contaminantes. Acompañar con monitoreo químico.

APLICACIONES

Identificación de organismos o poblaciones en riesgo

La vulnerabilidad de una especie depende principalmente de dos factores: condiciones de la exposición y sensitividad intrínseca. El segundo aspecto puede ser evaluado mediante el uso de BK, por ejemplo analizar si el organismo es capaz de activar la acción tóxica de un contaminante mediante las enzimas de detoxificación.

Identificación de compuestos químicos o de su modo acción

Esto depende de la especificidad de la respuesta seleccionada o de la apropiada combinación de respuestas que permitan establecer relaciones de causalidad. Ej. Screening de efluentes industriales, lixiviados de rellenos sanitarios o de plantaciones agroforestales.

Evaluación de nuevos compuestos químicos de uso agrícola o industrial

IMPLEMENTACIÓN DE ESTUDIOS BASADOS EN BIOMARCADORES

Preguntas claras y en base a ellas establecer los objetivos

Ej. Cuál es el grado de contaminación de un curso de agua? Enfoque espacial: más simple, comparación entre sitios asumidos como contaminados con uno de referencia. Si el BK es mayor en sitio contaminado que en el de referencia, hay evidencia de exposición y/o efecto. Enfoque temporal: muestreo de un mismo sitio contaminado durante un año.

Problema: Otros factores, a parte de la contaminación, pueden modular el BK y amplificar o reducir las respuestas.

Solución: Combinación de enfoque espacial y temporal. Si el BK muestra un patrón de variación contínua que se corresponde con el gradiente de contaminación asumido, hay una fuerte evidencia de relación causal.

Selección del área de estudio

Caracterización preliminar para seleccionar las estaciones problema y los sitios de referencia. Colecta de datos históricos referentes a aspectos socio-económicos y parámetros ambientales (físicos, químicos y biológicos). En caso de no disponer de esta información y de no haber indicios claros de la existencia de un gradiente de contaminación realizar un estudio piloto.

Establecimiento de línea de base, en función de datos existentes, literatura internacional o generar. Principalmente en relación a potenciales especies centinela y respuestas biológicas.

Selección de especie centinela

En teoría, todos los taxa pueden ser útiles. En la práctica, solo en pocas especies son conocidas las interacciones compuesto/organismo. Características deseables:

- Especies que cuenten con línea de base pueden ser preferibles.

- Abundancia relativa de la especie, no necesariamente debe ser similar entre estaciones. Debe ser tal que permita analizar la variabilidad sin provocar efectos deletéreos en la población. BK no destructivos.

- Características demográficas. Relación de sexos, clases de edad, fecundidad, longevidad y tiempo de generación.

- Ciclo de vida. Algunos BK sólo son relevantes durante determinadas etapas del ciclo. Ej. Anfibios en etapa larval. Salmonideos, larvas menos móviles efecto de descargas localizadas.

- Movilidad. Baja movilidad, integran y reflejan las condiciones ambientales de su habitat restringido. Alta movilidad, integran los efectos de la exposición de un área y varias fuentes de contaminación. Esto requiere conocer los patrones de migración, hábitos alimentarios y reproducción, para interpretar los resultados. Uso de animales enjaulados o marcados.

- Nivel trófico y hábitos de alimento determinan las rutas y grado de exposición. Ej. Sábalo, alto contenido graso, alimentación detritívora y contaminantes persistentes.

- Estado fisiológico. Nutricional, hormonal y susceptibilidad a enfermedades.

Selección de biomarcador

Factores:

- Los requerimiento varían de acuerdo al tipo de estudio: estudio general sobre el estado de salud de un ecosistema - exposición/efectos de una descarga de un contaminante conocido.

- Determinar si las preguntas planteadas requieren un BK de exposición o de efecto, general o específico, o la combinación de ambos.

- Modo de acción del tóxico, si este ha sido identificado.

- Especie centinela.

- Velocidad de respuesta requerida. Ej. Especies raras o amenazadas.

Metodología de muestreo

Diseño de muestreo estadísticamente representativo

Tamaño de muestra y frecuencia de muestreo: interpretación y validez de los resultados.

Variabilidad de la línea de base

Tamaño de la muestra.