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PRINCIPIOS DE LOS ENSAYOS
BIOLOGICOS DE TOXICIDAD I
MsC. Leon Villegas V.
Dpto. Ciencias Farmaceuticas
Facultad de Ciencias y Filosofia-UPCH
Toxicidad es definida como el estudio de
los efectos de los agentes quimicos sobre
material biologico (acciones perjudiciales).
Los ensayos toxicologicos definen las
condiciones que deben darse para que una
célula biologica sea afectada y la naturaleza
del efecto que se produce.
Pueden ser las condiciones inalcanzables en
condiciones ordinarias o ser alcanzables con
una simple dosis
Los metodos biologicos toxicologicos desarrollados son
el resultado de la necesidad practica de obtener la
mayor información y datos posibles de sustancias
quimicas (aditivos y sustitutos alimenticios
medicamentos, etc.)
El progreso economico y tecnologico ha incrementado
el numero de entidades quimicas a las que el hombre
esta expuesto accidentalmente o intencionalmente.
Debido a restricciones de orden etico, moral y legales
concerniente al uso de humanos con fines
experimentales para obtener datos toxicologicos. Es
muy poca la información.
En toxicologia los metodos biologicos
generalmente requieren el uso de especies
animales desechables o fungibles.
Pueden ser especies mamiferas, no
mamiferas e incluso cultivo de células.
Los inconvenientes de utilizar bacterias,
neurosporas, pulgas de agua, drosofila y
diversos equinodermos o peces para la
evaluación de la toxicidad, son sus
diferencias en cuanto a sus barreras de
translocación y los procesos de
biotransformación con respecto al hombre.
Esto impide la extrapolación de los datos
obtenidos en animales hacia el hombre.
Pero sustancias químicas utilizadas
masivamente (agricultura) y que actúan en
el medio ambiente general es necesario
evaluar la toxicidad del agente en varias
especies que pueden influir directa o
indirectamente sobre el bienestar global del
hombre o de las demás especies.
PRINCIPIOS DE METODOLOGIA
TOXICOLOGICA EXPERIMENTAL
Todo efecto de una sustancia quimica sobre
un tejido vivo es el resultado de una
interacción o reacción entre la entidad
química y algún componente biologico.
La reacción Inicial puede ser no evidente
El efecto puede ser sobre una función y en muchos casos sobre la estructura del sistema biológico.
El efecto puede ser solo una lesión bioquímica (inhibición o activación).
El efecto puede ser reversible a falta de una exposición continuada.
Puede ocacionar muerte celular.
SE DEBE CONSIDERAR LO
SIGUIENTE:
Es necesario entonces detectar y evaluar la
naturaleza de los cambios funcionales y
estructurales inducidos químicamente y el
significado de estos efectos en las células
vivas.
La función principal de la toxicología es
entonces identificar en forma clara aquellas
sustancias químicas capaces de producir
daño en un sistema vivo
La toxicología desarrolla
metodologias para :
Detectar alteraciones inducidas
Investigar factores que determinan la forma en que las sustancias químicas acceden a la células biológicas
Ayudar a restablecer los parámetros de las condiciones producidas por las sustancias químicas sobre los sistemas biológicos.
Definir los mecanismos por lo cual las sustancias químicas interaccionan con los sistemas biológicos (acción directa e indirecta)
Principios utilizados en los ensayos
toxicologicos:
Para que un agente químico produzca un efecto
biológico, debe entrar en contacto inmediato con
las células en consideración.
Para cada sustancia química existe una cantidad
por debajo de la cual no produce efecto detectable
en ningún sistema biológico y una cantidad con la
cual produce una efecto significativo en todos los
sistemas biológicos.
Las células que tienen funciones parecidas y
vías metabólicas similares en varias
especies por lo general se verán afectadas
de forma parecida por una entidad química
dada.
Pequeños cambios en la estructura de un
agente químico pueden influir en gran
manera en su acción biológica.
FACTORES DE TRANSLOCACION
Para que una sustancia quimica extraña ejerza un
efecto en otro lugar que no sea el de su organo o
sitio blanco debe de acceder a las diversas partes
del medio interno, por lo tanto debe ser
translocada a los diferentes componentes del
animal, tejido o celula.
Por ej. Una sustancia que no fuera absorbida por
piel o tracto digestico, seria inocua si es aplicada
por piel o fuera consumida.
Los métodos empleados para una
evaluacion razonablemente completa de la
actividad toxica implica la administración
de la sustancias por diferentes vías de
administración.
Es imporante para la translocación de
sustancias el grado de solubilidad que pueda
tener (liposoluble o hidrosoluble) en los
fluidos biologicos.
FACTORES CONCENTRACION-
RESPUESTA
Hay una cierta cantidad minima de sustancia por debajo de la cual no hay efecto y una cantidad mayor en la cual se ve afectado cualquier sistema biologico.
Existen dos tipos de datos el de “todo o nada” y el de respuesta gradual.
La terminologia empleada para identificar la dosis varia con el tipo de sustancia.
Los factores que alteran la distribucion de
sustancias puede ser: barreras membranosas,
deposito selectivo de sustancias, inactivacion
metabolica y excrecion.
Estos factores son responsable de la continua
variacion de la distribucion de una sustancia en un
sistema biologico.
La relacion dosis respuesta se representa
convencionalmente mediante métodos estadisticos
como dosis de una sustancia frente a la incidencia
o intensidad de un efecto.
TOXICIDAD FRENTE A SEGURIDAD
Debe definirse el efecto a estudiar y el nivel de
confianza de los resultados.
El tiempo de exposicion y de evaluación son
importantes
Los grupos controles deben ser tratados de la
misma forma
Debemos tener la cantidad suficiente de sustancia
La cantidad de animales debe ser la necesaria
REACCIONES QUIMICO-BIOLOGICAS
EN DIFERENTES ESPECIES
Las células que tienen vías metabolicas similares son afectadas de forma semejante por una determinada sustancia química
Para que una sustancia alcance los mismo efectos en sistemas parecidos dependera de: si el receptor esta presente o no, si el compuesto es activo o inactivo en los animales, si el compuesto es translocado o no, si hay mecanismo de reparación o “ bypassed”
Debe emplearse varias especies animales para poder tener datos extrapolables al hombre.
26/09/2013 LEON VILLEGAS FCF-UPCH
MsC. LEON F. VILLEGAS V.
Dpto. Ciencias Farmacéuticas
FACULTAD DE CIENCIAS-UPCH
PRINCIPIOS DE LOS
ENSAYOS BIOLOGICOS
DE TOXICIDAD II
26/09/2013 LEON VILLEGAS FCF-UPCH
Pequeños cambios en la estructura de una sustancia química puede influir en su acción biológica
El objetivo de los estudios relacionados con estructura-actividad es definir con la mayor precisión posible los limites de las variaciones en la estructura química dentro de los cuales se mantienen la producción de un efecto biologico
En farmacología y toxicología por ejm. Los isomeros opticos o diferentes valencias, tienen diferente grado de acción o incluso diferentes mecanismos de acción
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La toxicidad esta relacionada con el tiempo
a lo largo del cual se da la exposición a
concentraciones dadas del agente.
El efecto puede ser reversible
(detoxificación o excreción)
Si un compuesto químico es administrado
soló en una ocasión o en muchas, o a lo
largo de la vida de un animal, la relación
concentración-tiempo determina la
toxicidad
26/09/2013 LEON VILLEGAS FCF-UPCH
La velocidad por lo cual una sustancia accede al sistema biologico se relaciona con la dosificación, la vía de administración y las caracteristicas fisico-quimicas de la sustancia
La duración de la presencia de una sustancia en un sistema biologico se denomina como “vida biologica”
La vida biologica de un compuesto determina la frecuencia de su administración en un ensayo de toxicidad prolongado o crónico
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La semi-vida de una sustancia es el tiempo
necesario por el cual se elimina en un 50%
dosis inical que ha ingresado al sistema
biologico
Muchos estudios de toxicidad prolongada y
crónica son llevados a cabo sin conocer las
metodologias para determinar la
concentración en el tejido (se utilizan
mayormente sustancias marcadas
radioactivamente)
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La semi-vida biologica de un compuesto no proporciona información concerniente a un efecto terapeutico o toxicologico
La semi-vida biologica es importante como un factor que nos indicará si la sustancia se acumulara o no en el sistema biologico, el cual ha sido sometido a exposiciones repetidas.
Si la semi-vida del efecto toxico es mayor que la semi-vida de la sustancia, la intensidad de la toxicidad tendera progresivamente a una meseta
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EFECTOS TOXICOS
La toxicidad es compleja y pueden intervenir
varios factores, siendo la dosis la mas importante.
Muchos xenobioticos se distribuyen en el cuerpo y
después afectan órganos especificos.
Pueden asi mismo dañar celulas y tejidos,
dependiendo de la dosis y la vía de
administración. Por ejemplo una sustancia puede
tener un efecto agudo sobre el sistema nervioso y
después un efecto crónico sobre el higado.
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La toxicidad puede ser el resultado de alteraciones
a nivel celular, bioquímico o cambios a nivel
macromolecular por ejemplo: Reemplazo celular
(fibrosis), daño de un sistema enzimatico,
alteración de la síntesis de proteínas, producción
de reactividad química en celulas y daño del DNA
Algunos xenobioticos pueden producir efectos
indirectamente por: modificaciones de una función
bioquímica esencial, interferncia con la nutrición y
alteración de un mecanismo fisiologico.
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FACTORES QUE INFLUENCIAN LA
TOXICIDAD
Forma y actividad innata química: elementos metalicos por ejemplo Cr+3 es relativamente no toxico, pero Cr+6 causa corrosión nasal o de piel y cancer al pulmón. El cianuro de hidrogeno unido a citocromo oxidasa produce hipoxia celular y muerte rapida. La Nicotina unido a receptores colinergicos en el SNC altera la conducción nerviosa e induce gradualmente a la paralisis.
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Dosis, especialmente dosis-tiempo: Es el factor mas
importante y critico que determina si una sustancia
produce toxicidad aguda o cronica. El etanol:
depresión SNC (T. aguda) y cirrosis hepatica (T.
Cronica)
Dosis expuesta: cantidad de un xenobiotico que se
encuentra en el medio ambiente
Dosis absorbida: cantidad de una sustancia que
ingresa al cuerpo
Dosis Administrada: cantidad administrada oralmente
o inyectada
Dosis total: suma de cantidades individuales
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Vías de exposición: Algunas sustancias químicas
pueden ser toxicas por alguna vía pero no por
otra. Esto se debe a diferencias en la absorción y
distribución de la sustancia dentro del cuerpo.
Ejm: Sustancia quimica ingerida, cuando es
absorvida por el intestino se distribuye
proimeramente a el higado siendo pudiendo ser
inmediatamente detoxicificado o por el contrario
puede ser inhalado y entrar rapidamente
acirculación sanguinea y puede ser distribuido por
el cuerpo antes de ser detoxificado por el higado.
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Toxicidad selectiva: Se refiere a diferencias entre especies las cuales muchas veces es atribuido a diferencias encuanto a su metabolismo y otras a cuestiones anatomicas y funcionales. Por ej. Las ratas no pueden vomitar y expeler el toxico antes de que sea absorbido o cause severa irritación, sin embargo los humanos y perros son capaz de hacerlo. Un insecticida es letal para el insecto pero relativamente no toxico para animales según sea el caso. Los antibioticos son toxicos para los microorganismos (bacterias, virus o Parasitos) y en menor grado para el humano.
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Edad: Algunas sutancias pueden ser toxicas para infantes y ancianos y no ser asi para un adulto joven. El paration es mas toxico en animales jovenes. Las nitrosaminas son mas carcinogenicas en recien nacidos o animales jovenes.
Sexo: Las ratas machos son 10 veces mas sensibles que las hembras al daño hepatico por DDT.Las ratas hembras son mas sensibles al paration que las rats machos.
Habilidad para ser absorbido: algunas sustancias son facilmente absorbidas mientras otras no. El etanol es facilmente absorbido a nivel gastrointestinal pero dificilmente por piel, tan igual que el mercurio organico que es absorbido por el tracto gastrointestinal.
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Metabolismo: Biotransformacion puede generar metabolitos toxicos.
Distribución: Si un toxico es liposoluble facilmente penetrara la membrana celular, algunos se almacenaran. A sagre sirve aveces como medio de distribucion de sustancias.
Excreción:El riñon, sudor, lagrimas o leche. Toxicos liposolubles son reabsorbidos y concentrado en celulas renales.
Presencia de otros quimicos: Antagonismo (disminución de toxicidad), Aditividad (sumación de toxicidad) y Sinergismo o Potenciación (incremento de la toxicidad). Alcohol puede alterar efectos de muchos antihistaminicos y sedantes. Los antidotos funcionan antagonizando la toxicidad de un veneno(atropina-organofosforado)
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CATEGORIAS
CATEGORIA 1: Ensayos diseñados para evaluar efectos generales: toxicidad aguda, prolongada y crónico. Estos ensayos genrales prolongados y crónicos no detectan todas las formas de toxicidad.
CATEGORIA 2: Ensayo diseñados para evaluar efectos especificos : potenciación, teratogenicidad, sobre la reproducción, mutagenicas, tumorigenicidad y carcinogenicidad, evaluación de efectos locales (piel y ojo) y sobre el comportamiento.
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PRINCIPIOS A SER CONSIDERADOS:
Usar si es posible o practicable, una o más especies que traten biologicamente a la sustancia de una forma lo mas similar posible a la del hombre, considerando para ello: metabolismo, absorción, excreción, almacenamiento otros fectos fisiologicos.
Usar varios niveles de dosis.
Los efectos producidos por dosis altas son utiles para perfilar el mecanismo de acción, pero existen dosis por debajo de la cual no existe efecto adverso dicho efecto debe ser establecido mediante el uso de un factor de seguridad adecuado.
26/09/2013 LEON VILLEGAS FCF-UPCH
Los tratamientos estadístico sobre
significación sólo son validos para las
unidades experimentales (camadas o
individuos) distribuidas aleatoriamente.
Los efectos obtenidos con animales de
ensayo por una vía de administración no son
“a priori” extrapolables como efectos sobre
el hombre por otra vía de administración.
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LA TOXICOLOGIA EXPERIMENTAL SE ENCARGA,
CON SUS ESPECIALIZACIONES DE:
1.- IDENTIFICAR LA SUSTANCIA QUIMICA
QUIMICA ANALITICA
Cualitativa y cuantitativa
Fluidos biológicos y órganos
Metabolismo y Cinética
2.- ESTABLECER LOS LIMITES DE SEGURIDAD
T0XICOMETRIA
Administración única y repetida
Vias enteral y parenteral
Aplicación tópica en piel, mucosas y ojos
Estudios agudos, subcrónicos y crónicos
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3.- ESTABLECER EL RIESGO
HISTOPATOLOGIA
Tinciones de rutina y especiales
Microscopio de luz y electrónico
BIOQUIMICA CLINICA
Enzimología
HEMATOLOGIA
Elementos formes
INMUNOLOGIA
Técnicas de rutina y especialles
GENETICA
Técnicas “in vivo” e “in vitro”
TERATOGENESIS
Reproducción, Embrio y Fetotoxicidad
CARCINOGENESIS
4.- EXTRAPOLAR LOS RESULTADOS AL SER HUMANO LUEGO DE LA
EVALUACION DEL RIESGO