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GONZÁLEZ RAMÍREZ María Alejandra IAMB 201010 08
i
BIOMARCADORES PARA MATERIAL PARTICULADO
MARÍA ALEJANDRA GONZÁLEZ RAMÍREZ
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL BOGOTÁ D.C.
2010
GONZÁLEZ RAMÍREZ María Alejandra IAMB 201010 08
ii
BIOMARCADORES PARA MATERIAL PARTICULADO
Por
MARÍA ALEJANDRA GONZÁLEZ RAMÍREZ
Asesor
ANDREA DEL PILAR MALDONADO
TESIS PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERA AMBIENTAL.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL BOGOTÁ D.C.
2010
GONZÁLEZ RAMÍREZ María Alejandra IAMB 201010 08
iii
Nota de Aceptación
_____________________________ _____________________________ _____________________________
______________________ Andrea del Pilar Maldonado
Asesor de proyecto de grado
GONZÁLEZ RAMÍREZ María Alejandra IAMB 201010 08
iv
RESUMEN
En este trabajo se presenta una revisión conceptual de biomonitoreo, biomarcadores,
estudios epidemiológicos y de caracterización de material particulado. Adicionalmente, se
realizó una revisión bibliográfica de múltiples trabajos publicados sobre biomarcadores para
material particulado y sus componentes, los cuales han encontrado efectos nocivos
significativos en la salud humana. Por último, se realizó una revisión bibliográfica de los
trabajos realizados en Colombia, relacionados con calidad de aire y salud pública.
GONZÁLEZ RAMÍREZ María Alejandra IAMB 201010 08
1
Tabla de contenido INTRODUCCIÓN ........................................................................................................4
1. OBJETIVOS .......................................................................................................5
1.1 OBJETIVO GENERAL ..................................................................................5
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..........................................................................5
2. MARCO TEÓRICO ...........................................................................................6
2.1 BIOMONITORERO .......................................................................................6
2.2 BIOMARCADORES ......................................................................................8
2.3 CINÉTICA DE BIOMARCADORES ........................................................... 10
2.4 ESTUDIOS EPIDEMIOLÓGICOS .............................................................. 13
2.5 MATERIAL PARTICULADO ..................................................................... 17
3. CARACTERIZACIÓN DE MATERIAL PARTICULADO ........................... 23
3.1 PM de Combustión ....................................................................................... 23
3.2 PM re-suspendido ......................................................................................... 26
4. TOXICIDAD DEL MATERIAL PARTICULADO ........................................ 28
5. BIOMARCADORES PARA MATERIAL PARTICULADO ......................... 34
5.1 Biomarcadores de Exposición ....................................................................... 37
5.2 Biomarcadores de Efecto .............................................................................. 42
5.3 Biomarcadores de Susceptibilidad. ............................................................... 46
5.4 Rrevisión de estudios de biomarcadores para PM y/o sus componentes......... 47
6. SELECCIÓN Y VALIDACIÓN DE BIOMARCADORES PARA
MATERIAL PARTICULADO ................................................................................ 54
7. PROBLEMÁTICA COLOMBIANA ............................................................... 61
8. CONCLUSIONES............................................................................................. 65
Bibliografía ................................................................................................................ 66
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Lista de Figuras
Figura 1. Escalera de Biomarcadores de exposición relacionados con polución atmosférica. 9
Figura 2. Paradigma de los biomarcadores. 10
Figura 3. Cinética de Biomarcadores. 11
Figura 4. Diagrama de clasificación de estudios epidemiológicos. 15
Figura 5. Distribución del PM por tamaño y modo . 19
Figura 6. Alcance de PM en el sistema respiratorio en función del tamaño. 21
Figura 7. Formación de PM en la atmósfera . 22
Figura 8 . Distribucion general de l acomposicion de PM de diésel. 25
Figura 9.Relación de PM y mortalidad en análisis de cohorte. 29
Figura 10. Cadena exposición-enfermedad, evaluación de riesgos. 34
Figura 11.Progresión de la acción de los biomarcadores de dosis interna hasta el nivel molecular de dosis
efectiva. 38
Figura 12. Relaciones de diferentes biomarcadores con niveles y tiempo de aparición después de una
única dosis. 39
Figura 13. Diagrama de los eventos hipotéticos desarrollados desde una exposición crónica de partículas
hasta el desarrollo de enfermedades como cáncer y arterosclerosis. 43
Figura 14.Factores variables que influencian la interacción químico-individuo. 55
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Lista de Tablas Tabla 1. Ventajas y desventajas de estudios epidemiológicos en los que se han utilizado biomarcador. 16
Tabla 2. Fuentes de material particulado. 17
Tabla 3. Clasificación de PM por tamaño. 20
Tabla 4. Composición (%) de componentes mayoritarios del material particulado par diferentes
ciudades. 23
Tabla 5. Impactos sobre la salud PM 10, PM 2.5, BS, TSP, en función de dosis-respuesta. 30
Tabla 6 .Compuestos típicos en PM emisiones de diésel. 33
Tabla 7. Clasificación de biomarcadores por uso. 36
Tabla 8. Revisión bibliografía biomarcadores para PM y/o sus componentes. 48
Tabla 9. Algunos parámetros de biomonitoreo propuesto por diferentes organizaciones. 52
Tabla 10. Biomarcadores de susceptibilidad. 54
Tabla 11.Pasos para el desarrollo y validación de un biomarcador. 57
Tabla 12. Criterios de validación para 1-OPH. 60
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INTRODUCCIÓN
Las personas desarrollan diferentes actividades durante el día, tanto en ambientes exteriores
como en interiores, durante el transcurso de la vida estas se encuentran expuestas a la
inhalación de sustancias presentes en la atmósfera, las cuales pueden ser de gran complejidad
y representar un riesgo para la salud. El estudio de los contaminantes del aire incrementa
continuamente debido a los efectos adversos que estos tienen sobre la salud y la calidad de
vida de las poblaciones. Realizar estudios que permitan encontrar relaciones directas entre
contaminantes atmosféricos y efectos de los mismos sobre la salud humana es complejo,
debido a los múltiples factores que están relacionados con las respuestas de las patologías
humanas y los contaminantes atmosféricos. Uno de los contaminantes atmosféricos más
estudiados es el material particulado, las propiedades químicas, físicas y termodinámicas de
este contaminante atmosférico dependen de múltiples factores, que hacen de este una
mezcla compleja potencialmente nociva para la salud humana. El material particulado es el
componente del aire con mayores efectos adversos sobre la salud humana, algunos estudios
han encontrado una relación positiva entre la mortalidad diaria y la concentración de
partículas (1), presentando efectos nocivos sobre el sistema respiratorio y cardiovascular, así
como alteraciones celulares y genéticas, de tipo mutagénico y cancerígeno, lo cual se
encuentra ampliamente reportado en estudios toxicológicos.
Debido a las múltiples sustancias tóxicas que se pueden encontrar en el material particulado
(PM), es importante realizar análisis que permitan identificar y caracterizar estas sustancias,
así como su transformación en el cuerpo humano y los efectos nocivos que causan. Los
estudios toxicológicos con biomarcadores son una herramienta útil y acertada para la
evaluación de PM y sustancias tóxicas presentes en el mismo. Los análisis de biomarcadores
permiten conocer información temprana y confiable de cambios adversos o riesgos
potenciales sobre la salud humana causada por diferentes compuestos del medio ambiente,
permitiendo así realizar diagnósticos tempranos, métodos de tratamiento y políticas de salud
pública que permita mitigar y/o prevenir la exposición a sustancias tóxicas.
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1. OBJETIVOS
1.1 OBJETIVO GENERAL
Realizar una revisión bibliográfica que permita identificar los biomarcadores utilizados
para evaluar de forma cualitativa y cuantitativa los efectos y/o perturbaciones
causados por el material particulado.
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Revisión de conceptos de biomonitoreo.
Revisión de caracterización físico-química del material particulado de
naturaleza de re-suspendida y de combustión.
Identificación de biomarcadores utilizados en la evaluación toxicológica de
material particulado y sus componentes, de naturaleza re-suspendida y de
combustión.
Identificación de los procedimientos de selección y validación de
biomarcadores para material particulado y sus componentes.
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2. MARCO TEÓRICO
2.1 BIOMONITORERO
El biomonitoreo es una técnica científica que permite evaluar exposiciones a sustancias
naturales o químicos sintéticos, mediante el uso de biomarcadores en muestras y análisis de
tejidos o fluidos corporales. Esto es posible ya que la mayoría de las sustancias químicas que
ingresan en el cuerpo humano dejan marcas relacionadas con su exposición, la cual puede ser
la sustancia como tal o el resultado de transformaciones de la misma durante su trayectoria
en el cuerpo humano. Esta técnica sólo permite realizar mediciones de exposición, por sí sola
no proporciona información de toxicidad o de riesgo (2).
El biomonitoreo realiza una medición directa de la exposición humana individual o de
poblaciones, adicionalmente es un método integrado, es decir permite evaluar la exposición
total teniendo en cuenta tanto las rutas de transporte y como las fuentes de generación. Sin
embargo la integración también puede representar una limitante debido a que la
superposición entre las rutas y los origines de exposición dificulta la identificar de las
contribuciones individuales de cada una. Otra limitante del biomonitoreo es que solo provee
información en un punto del tiempo, es decir no se puede determinar a partir de los
resultados si la información hace referencia a múltiples exposiciones independientes en un
periodo largo de tiempo o a exposiciones continuas durante un periodo de tiempo o
combinación entre estas.
El biomonitoreo puede ser utilizado para evaluar niveles de químicos, naturales o sintéticos,
que estén presentes o que hayan estado presentes en el ambiente. Químicos naturales que
han sido estudiados por monitoreo incluyen los que se encuentran en la corteza terrestre
como plomo y arsénico, así como una amplia variedad de compuestos complejos que hacen
parte de los alimentos que consumimos, el agua potable y el aire que respiramos; estas
sustancias complejas incluyen sustancias que son parte de plantas y animales que tiene
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7
actividad biológica, incluyente pesticidas naturales, carcinogénicos y compuesto
hormonalmente activos. Es importante mencionar que el estudio de los químicos sintéticos es
de especial interés ya que estos se utilizan durante la producción y/o en el producto final de
múltiples compuestos, los cuales están en contacto directo con los seres humanos.
El biomonitoreo es un buen detector de químicos persistentes en cuerpo, es decir compuestos
que no son rápidamente sintetizados y/o excretados. Algunos ejemplos de sustancias
persistentes son metales como el plomo y el arsénico, así como gran cantidad de compuestos
químicos de tipo orgánico como PCBs (bifenilos policlorados), PAH’s (hidrocarburos
aromáticos poli cíclicos), DDT (Dicloro Difenil Tricloroetano), entre otros. Este tipo de
sustancias son encontradas frecuentemente por biomonitoreo no sólo por su persistencia en
el cuerpo humano, sino porque también permanecen en la ambiente por largos periodos de
tiempo. Debido a la persistencia ambiental y biológica, estos compuestos se encuentran con
mayor frecuencia en el cuerpo humano en niveles elevados mayores a otros químicos que
pueden ser producidos o utilizados en cantidades considerablemente más grandes (3).
Los niveles de las sustancias biomonitoreadas se miden generalmente en partes por millón
(ppm), partes por billón (ppb) o partes por trillón (ppt). Generalmente, las sustancias
detectadas en mayor proporción son aquellas que son persistentes en el ambiente o
sustancias que se encuentren en cantidades no usuales debido a condiciones especiales. Sin
embargo hay que tener en cuenta que por sí solo el biomonitoreo no puede medir la
probabilidad o la magnitud de futuras exposiciones. La información del biomonitoreo es útil
para identificar las sustancias xenobióticas en el ambiente y los posibles niveles de
concentración y exposición a los cuales se encuentra sujeta una población con una mayor
precisión. La cuantificación de estos factores permite diseñar métodos efectivos que permitan
reducir las exposiciones, y evaluar la efectividad de las medidas diseñadas. De igual forma el
biomonitoreo genera información verificable que permite a los médicos diagnosticar y
administrar el tratamiento de pacientes que hayan sido expuestos a altos niveles de
exposición de una sustancia particular (3).
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2.2 BIOMARCADORES
Después de una exposición ambiental cada persona tiente una única respuesta tanto a la dosis
como al tiempo de desarrollo de una enfermedad relacionada a la exposición, estas
respuestas pueden ser afectadas por modificaciones intrínsecas (genéticas) o extrínsecas
(estilo de vida). En comparación con otro tipo de mediciones, los biomarcadores pueden
clasificar más acertadamente los niveles de exposición de individuos, comunidades locales y
poblaciones (4), además estos pueden describir el mecanismo de acción de las sustancias
ingeridas y predecir los riesgos a desarrollar enfermedades asociadas a exposiciones
específicas.
Los biomarcadores realizan determinaciones cuantificables de eventos biológicos que
producen variaciones biológicas en condiciones anormales. Por ejemplo: metabolitos químicos
inusuales “in vivo”, cambios genéticos, alteraciones de expresiones de genes, células y
proteínas (5). Los indicadores de cambio celular, bioquímico o fisiológico son medidos en
células, fluidos corporales, tejidos u órganos, (6) y la eficacia de los biomarcadores depende
de diferentes factores como: el tiempo de muestreo, la naturaleza química del biomarcador y
la cinética de este en el medio biológico analizado. En general los biomarcadores están
clasificados de acuerdo a su uso en los diferentes estudios poblacionales, ver Figura 1, y se
clasifican principalmente en las siguientes categorías:
Biomarcadores de exposición: como su nombre lo indica estos biomarcadores miden
la exposición a determinada sustancia. Estos pueden ser divididos entre
biomarcadores de dosis interna y biomarcadores de dosis efectiva biológica. La dosis
interna puede ser la cantidad de químico absorbido durante exposiciones recientes o
en el caso de sustancias toxicas acumulativas, la dosis interna se refiere a la cantidad
de químico almacenado en un órgano o fluido corporal. La dosis efectiva biológica o la
dosis objetivo, representa el alcance de la interacción entre la sustancia o sus
metabolitos reactivos con un objetivo molecular crítico.
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9
Biomarcadores de efecto: estos biomarcadores miden las interacciones biológicas
tempranas en un organismo y dependiendo de su magnitud pueden indicar un daño
potencial a la salud o el desarrollo de una enfermedad (7).
Biomarcadores de susceptibilidad: es un indicador de propiedades inherentes o
adquiridas de una sustancia que puede modificar la dosis interna o elevar la respuesta
a la exposición a una sustancia específica (7).
En la cadena exposición-enfermedad, los biomarcadores son fundamentales en la
investigación de las diferentes etapas de desarrollo. En la Figura 2 se observa un modelo de
desarrollo y las diferentes interacciones entre la exposición a una sustancia y el desarrollo de
una enfermedad (6), los cuadros sombreados representan las áreas de aplicación de los
biomarcadores.
Dosis interna
OH-pireno
Metabolitos del Benceno
Dosis externa
Área
Modelación
Muestras personales
Respiración
Defensa mucociliar
Metabolismo
Genotipo
Metabolismo
Genotipo
Antioxidantes
Dosis biológica efectiva
Daño a DNA
Daño a proteínas
Daño a lípidos
Expresión genética
Efectos biológicos tempranos
Aberración cromosómica
Micronucleicos
Mutación
Plaquetas
Enfermedades
Cáncer
Enfermedades cardiovasculares
Enfermedades respiratorias
Mecanismos de reparación
Ciclo de control celular
Figura 1. Escalera de Biomarcadores de exposición relacionados con polución atmosférica (48).
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Figura 2. Paradigma de los biomarcadores. (6)
2.3 CINÉTICA DE BIOMARCADORES
Uno de los principales objetivos de la toxicología es predecir la concentración temporal de la
forma activa biológica de un contaminante en tejidos específicos en el cuerpo. Los estudios de
biomonitoreo se basan en la farmacocinética de diferentes compuestos, lo cual permite
cuantificar en función del tiempo la absorción de: sustancias en tejidos específicos del cuerpo
humano (pulmones, piel, tracto gastrointestinal, etc.), distribución y acumulación de
compuestos, posibles transformaciones y la identificación de las rutas de excreción (8).
Generalmente los químicos que entran al cuerpo humano son metabolizados o
biotransformados en sustancias activas intermedias (9). La concentración y acumulación de un
tóxico activo en determinado tiempo en un tejido específico produce una respuesta celular
destructiva, la cual se manifiesta con un efecto nocivo sobre la salud. La biotransformación es
el proceso más importante del estudio fármaco-cinético, ya que este puede determinar el
destino de los contaminantes orgánicos en el cuerpo (8). Las dinámicas de los biomarcadores
son equivalentes a las dinámicas utilizadas en los fármacos (10), Ver Figura 3.
Factores de susceptibilidad
Exposición
Efectos biológicos tempranos
Alteración estructura/
función
Enfermedad crónica
Dosis Interna
Dosis efectiva Biológica
Intervención Molecular
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La cinética de los biomarcadores es importante en el diseño y desarrollo de estudios de
impacto de contaminantes del aire sobre la salud humana. Uno de los parámetros que
sintetiza de forma más acertada el comportamiento de un químico en sistemas biológicos es
el tiempo de vida de eliminación (half-life)1, este permite conocer la afinidad del químico en el
sistema biológico de análisis y la eficiencia de los sistemas de eliminación metabólicos y de
excreción.
Los químicos o sus metabolitos muestran un aumento en el half-life dependiendo de la
eficiencia del sistema de eliminación de los principales compartimientos del cuerpo. En los
estudios farmacocinéticos se utiliza el término “compartimiento” para hacer referencia a
todos los órganos, tejidos y células para los cuales las tasas de absorción y evacuación de un
químico son similares (8) .
El half-life es un parámetro importante en los ensayos de biomarcadores, y este depende
principalmente del tiempo de muestreo. Si las muestras son tomadas durante la exposición o
inmediatamente después, el half-life refleja la eliminación desde el compartimiento central
constituido usualmente por la sangre y los tejidos ricos en vasos sanguíneos. Por el contrario,
1 Termino utilizado en farmacología para referirse al periodo de semi desintegración de una sustancia.
CINÉTICA DE BIOMARCADORES
b. Cinética de biomarcadores
a. Cinética de drogas/ingredientes
- Absorción.
- Distribución.
- Metabolismo.
- Excreción.
Ciencia Establecida
Ignorada/inexplorada
- Generación.
- Distribución.
- Metabolismo.
- Excreción.
Figura 3. Cinética de Biomarcadores (10).
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12
si las muestras son tomadas después de varios días o semanas de la exposición, half-life
corresponde a la eliminación desde el compartimiento más profundo desde el cual el químico
es eliminado considerablemente más lento (grasa de solventes liposolubles, tejidos pobres en
vasos sanguíneos, riñón e hígado) (8).
Debido a que las enfermedades causadas por exposiciones a sustancias químicas tóxicas se
manifiestan después de muchos años, es importante saber si el biomarcador refleja la
exposición de un periodo corto antes de la muestra o si puede ser integrado a la exposición
durante un periodo de tiempo lo suficientemente largo para ser relacionado con una
enfermedad. En este sentido los biomarcadores se clasifican en 4 categorías:
Biomarcadores de half-life < 12 h
El comportamiento de estos biomarcadores esta caracterizado por respuestas rápidas a
variaciones en el nivel de exposición, haciendo del tiempo una variable crítica que a su vez
depende de las condiciones de exposición. Para estas sustancias que tienen un tiempo de vida
muy corto, si las muestras no son tomadas pocos minutos después de la exposición, se
presenta una reducción de hasta el 50% de la concentración del biomarcador (9). La
concentración de solventes en el aire alveolar y en la sangre está representada en esta
categoría.
Biomarcadores de half-life entre 12 y 100h
Estos biomarcadores tienen una curva de eliminación suave independiente al tipo de
exposición; permitiendo una evaluación integral de la cantidad total de químico absorbido
durante periodos de tiempo no muy cercanos a las muestras. Esta categoría incluye solventes
o metabolitos que presenten una curva de eliminación lenta.
Biomarcadores de half-life entre 100 h y 6 meses
En este tipo de biomarcadores el tiempo no es una variable crítica, ya que estos pueden
integrar la exposición en largos periodos de tiempo y detectar exposiciones previos a largos
periodos de no exposición. Toxinas acumulativas, como metales pesados o químicos lipofílicos
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13
y aductos formados con proteínas o ADN son algunos de los que se encuentran en esta
categoría (9).
Biomarcadores de half-life> 6 meses
Estos biomarcadores pueden integrar las exposiciones durante varios años o durante toda la
vida. En esta categoría se encuentran biomarcadores que reflejan la eliminación de sustancias
químicas acumulativas desde los sitos de almacenamiento dentro del cuerpo humano (9).
2.4 ESTUDIOS EPIDEMIOLÓGICOS
Epidemiología es la disciplina que estudia enfermedades en poblaciones humanas y aplica
estos estudios al control de efectos nocivos sobre la salud humana. Los estudios
epidemiológicos se clasifican en descriptivos y analíticos, los cuales cuentan con
procedimientos, métodos y técnicas mediante las cuales la información es colectada,
analizada e interpretada. En la Figura 4 se muestra una clasificación de los estudios
epidemiológicos. Los estudios se diseñan dependiendo de las necesidades y objetivos de cada
investigación y estos a su vez pueden clasificarse en (11):
Estudios descriptivos transversales
Estudios de prevalencia;
Series de casos transversales;
Evaluación de pruebas diagnósticas;
Estudios de concordancia;
Estudios de asociación cruzada;
Estudios longitudinales:
Estudios de incidencia;
Descripción de los efectos de una intervención no deliberada;
Descripción de la historia natural.
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Estudios analíticos observacionales
Secuencia causa-efecto: Estudios de cohortes (Prospectivos y Retrospectivos)
Secuencia efecto-causa: estudios de casos y controles
Estudios analíticos experimentales
Ensayo clínico aleatorio
Ensayo de campo
Ensayo clínico cruzado
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15
Figura 4. Diagrama de clasificación de estudios epidemiológicos (11).
TIPOS DE
ESTUDIOS
Criterios de
Clasificación
SECUENCIA TEMPORAL
FINALIDAD DE ESTUDIO
ESTUDIO DE LOS
HECHOS EN RELACION A
LA CRONOLOGIA
CONTROL DE LA
ASIGNACIÓN DE LOS
FACTORES DE ESTUDIO
Analítico todo estudio que
evalúa relaciones
causa-efecto
DescriptivoNo van enfocados
a buscar relaciones
causa-efecto, sino
que sus datos son
utilizados con un fin
puramente
descriptivo.
TransversalLos datos de cada
unidad de
observación
representan un
momento en el
tiempo
Longitudinal Estudios en los
que existe un
lapso de tiempo
entre variables de
forma que puede
establecerse una
secuencia
temporal entre
ellas. Pueden ser
tanto descriptivos
como analíticos
ExperimentalLos estudios en
los que el equipo
investigador
asigna el factor de
estudio y lo
controla de forma
deliberada según
un plan
establecido
ObservacionalLos estudios en los
que el factor de
estudio no es
asignado por los
investigadores sino
que estos se limitan
a observar, medir y
analizar
determinadas
variables, sin ejercer
un control directo
sobre el factor de
estudio.
ProspectivaSon aquellos cuyo
inicio es anterior a
los hechos
estudiados de
forma que los
datos se recogen
a medida que van
sucediendo.
RetrospectivaEl diseño es
posterior a los
hechos estudiados
de forma que los
datos se obtienen
de archivos o de
los sujetos o los
médicos refieren
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Los estudios epidemiológicos pueden proveer información muy útil sobre el verdadero impacto
de los contaminantes ambientales sobre la salud, suministrar información primordial sobre
valoración de riesgo y el control de los mismos. Para la determinación de los riesgos a la salud a
causa de contaminantes atmosféricos es importante tanto la exposición como los efectos, sin
información confiable sobre exposición los estudios epidemiológicos disminuyen su utilidad y
eficacia en la valoración de riesgos y la toma de decisiones en salud pública. Los biomarcadores
son ampliamente usados para evaluaciones de exposición de contaminantes atmosféricos. En
la Tabla 1, se pueden observar algunos de los estudios epidemiológicos más utilizados en los
ensayos de biomarcadores (6) (8).
Tabla 1. Ventajas y desventajas de estudios epidemiológicos en los que se han utilizado biomarcadores (12).
VENTAJAS LIMITACIONES ENSAYOS CLÍNICOS
Mayor control en el diseño
Menos posibilidades de sesgos debido a la selección aleatoria de los grupos.
Repetibles y comparables con otras experiencias.
Costo elevado
Limitación de tipo ético y responsabilidad en la manipulación de la exposición.
Dificultades en la generalización debido a la selección y o a la propia rigidez de la intervención.
ENSAYOS DE COHORTES
Estiman incidencia
Mejor posibilidad de sesgos en la medición de la exposición.
Coste elevado
Dificultad en la ejecución
No son útiles en enfermedades raras.
Requieren generalmente un tamaño de muestra elevado
El paso del tiempo puede introducir cambio en los métodos y criterios diagnósticos.
ESTUDIOS DE CASOS Y CONTROLES
Relativamente menos costosos que los estudios de seguimiento.
Corta duración.
Aplicaciones para el estudio de enfermedades raras.
Permite el análisis de varios factores de riesgo para una enfermedad.
No estiman directamente la incidencia.
Facilidad de introducir sesgos de selección y/o información.
La secuencia temporal entre exposición y enfermedad no siempre es fácil de establecer.
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VENTAJAS LIMITACIONES ESTUDIOS TRANSVERSALES
Fáciles de ejecutar.
Relativamente poco costosos.
Se pueden estudiar varias enfermedades y/o factores de riesgo a la vez.
Caracterizan la distribución de la enfermedad respecto a diferentes variables.
Precisan poco tiempo para su ejecución.
Útiles en la planificación y Administración Sanitaria (Identifican el nivel de salud, los grupos vulnerables y la prevalencia).
Por sí mismos no sirven para la investigación causal.
No son útiles en enfermedades raras ni de corta duración.
Posibilidad de sesgos de información y selección.
2.5 MATERIAL PARTICULADO
El material particulado (PM) es una mezcla de partículas solidas y liquidas que se encuentran
suspendidas y dispersas en el aire las cuales varían su composición dependiendo de la fuente
de emisión y las condiciones meteorológicas. El PM puede provenir de diferentes fuentes de
tipo natural o antropogénica clasificadas en la Tabla 2.
Tabla 2. Fuentes de material particulado (13).
FUENTE
NATURAL ANTROPOGÉNICA
Polvo del suelo
Sal marina
Polvo volcánico
Incendios forestales
Condensación gas-partícula2
Fotoquímica3
Emisiones directas por fuentes
móviles o fijas.
Condensación gas-partícula 4
Fotoquímica5
2 Incluye sulfato a partir de SO2 y H2O, sales de amonio a partir de NH3 y nitrato a partir de NOx. 3 Principalmente partículas formadas a partir de isopireno y vapores de monoterpenos de los arboles. 4 Incluye sulfato a partir de SO2 y nitrato a partir de NOx.
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Generalmente las partículas se caracterizan físicamente por tamaño, densidad y forma, y
químicamente por su composición. Los efectos sobre la salud se relacionan generalmente con
el tamaño y la composición.
La distribución de tamaños de partículas en el aire ambiente urbano es complejo debido a que
este es una mezcla de partículas de diferentes fuentes, y el tamaño de estas partículas puede
ser modificado dependiendo del proceso de crecimiento, evaporación y remoción (13). El
tamaño de las partículas puede ser medido como el tamaño efectivo o como tamaño
aerodinámico. El tamaño aerodinámico se establece a partir de la velocidad de sedimentación
de la partícula el cual depende a su vez del diámetro aerodinámico. A partir del diámetro
aerodinámico se determina el tiempo de suspensión en el aire y la capacidad de cada partícula
de entrar al sistema respiratorio humano, entre menor sea el tamaño de la partícula mayor es
la distancia que puede ser transportada desde la fuente y mayor es la profundidad de
penetración en el interior de cuerpo humano, generalmente hacia los pulmones. Las partículas
se clasifican según tamaño en 3 modos, Ver Tabla 3, los cuales dependen del rango de tamaño,
los mecanismos de formación y la composición:
Modo de nucleación: partículas de tamaño<0.1 μm, con mayor densidad entre 5-
15nm, estas partículas son principalmente provenientes de procesos de combustión
emitidas directamente y partículas formadas por condensación. El tiempo de
residencia de estas partículas en la atmósfera es de horas debido a que se aglomeran
rápidamente con otras partículas, aumentando así su tamaño, o sirven como núcleo
para la formación de nuevas gotas (13). Este modo de formación de partículas depende
de la concentración del gas precursor, de la humedad relativa y de la temperatura. Los
gases con capacidad de formación de partículas por nucleación homogénea en el aire
son H2SO4, NH3 y H2O (14).
Modo de acumulación: partículas de tamaño entre 0.1-1 μm, con mayor densidad de
numero de partículas entre 150-250nm. Este modo incluye partículas de combustión,
smog y partículas de modo de nucleación que se aglomeran y aumentan de tamaño
5 Principalmente partículas formadas a partir compuestos orgánicos volátiles de origen Antropogénico.
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19
debido a las reacciones en fase líquida que tienen lugar en gotas de agua. Tanto las
partículas del modo de nucleación como las partículas de modo de acumulación hacen
parte de la categoría de partículas finas. En este grupo también se encuentran
partículas muy finas de polvo de suelo (13).
Modo grueso: partículas de tamaños mayores a 1 μm, de origen antropogénico,
generalmente de procesos mecánicos antropogénicos, de origen geológico como
polvo, sal marina y partículas de minas superficiales. Debido a su tamaño el tiempo de
residencia de estas partículas es de horas o de algunas semanas (13). Esta categoría se
subclasifica en términos de calidad de aire en: PM10 o fracción respirable (partículas
con diámetros menores a 10 micras) y PM2.5 ó fracción fina (partículas con diámetro
entre 1 micra y 2.5 micras) (15). En la Figura 5, se observa la clasificación del material
particulado en función del diámetro aerodinámico y el modo. Adicionalmente, en la en
la Tabla 3 se observa sintetizada la clasificación de material particulado por tamaño en
términos de calidad de aire.
Figura 5. Distribución del PM por tamaño y modo (15).
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Tabla 3. Clasificación de PM por tamaño (13).
CLASIFICACIÓN
GENERAL
MODO TAMAÑO
(µm)
ALCANCE EN EL SISTEMA
RESPIRATORIO
FINOS Nucleación
(ultrafino)
PM<0.1 Sistema respiratorio hasta los
bronquios, causando irritación
Acumulación (fino) 0.1<PM<
2,5
Profundamente en los pulmones
GRUESOS Grueso PM<10 Partículas respirables ≤10 μm
La fracción de finos está compuesta principalmente por polvo que se encuentra suspendido
debido a disturbios mecánicos de material granular como arena y polvo de vías, procesos de
agricultura, construcción y procesos naturales. Además algunas operaciones industriales como
pulverización, demoliciones y transporte o manipulación de materiales, contribuyen también a
la fracción gruesa. Las partículas finas provienen principalmente de procesos de combustión y
se clasifican en primarias y secundarias. El PM primario se forma a partir de PM que es emitido
en fase sólida y el PM condensable que es emitido en gases de combustión a altas
temperaturas (16), el cual está compuesto por elementos semi-volátiles que forman aerosoles
orgánicos. Por otra parte, el material particulado (PM) secundario, se forma a partir de
reacciones en fase gaseosa con diferentes compuestos presentes en la atmósfera (sulfatos,
nitratos, amonio, carbón orgánico, carbón elemental, metales pesados y polvo fino) (17). El
tamaño es la característica física más importante en la evaluación de riesgos a la salud, en la
Figura 6, se observa la distribución de material particulado en el sistema respiratorio en
función del tamaño.
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21
Figura 6. Alcance de PM en el sistema respiratorio en función del tamaño.
Del mismo modo, la caracterización química es también de gran importancia dado que esta
tiene efectos sobre el tamaño, la densidad, la volatilidad, la reactividad y la toxicidad de la
partícula (17). Debido a los múltiples constituyentes del material particulado este se considera
una mezcla compleja, en la Figura 7, se muestran las diferentes rutas de generación de de PM
en la atmósfera.
Los compuestos orgánicos que se encuentran comúnmente en el PM en ambientes exteriores
son: compuestos aromáticos policíclicos (PHA’s) provenientes principalmente de combustión
de material fósil; compuestos oxigenados como ácidos, cetonas, aldehídos, ésteres y fenoles,
los cuales pueden formase a partir de reacciones de oxidación en la atmósfera o ser emitidos
por fuentes directas; compuestos nitrogenados, compuestos halogenados y compuestos
azufrados, entre otros. Los compuestos inorgánicos presentes generalmente en material
particulado son sulfatos, amonio, iones nitrato, material con carbono, plomo (Pb), arsénico
(As), selenio (Se), cadmio (Cd), zinc (Zn), Hierro (Fe), calcio (Ca) y sílice (Si).
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Figura 7. Formación de PM en la atmósfera (17).
En general se encuentran similitudes de entre los componentes mayoritarios del material
particulado atmosférico y de aquellos que se encuentran en trazas en el material particulado
atmosférico en países en desarrollo alrededor del mundo. De manera contraria, los países
desarrollados debido a los altos niveles de polución presentan diferencias significativas en las
concentración de contaminaste en el material particulado de otros países (18). En la Tabla 4, se
observan algunas características de material particulado para diferentes ciudades.
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23
Tabla 4. Composición (%) de componentes mayoritarios del material particulado para diferentes ciudades. (18)
3. CARACTERIZACIÓN DE MATERIAL PARTICULADO
3.1 PM de Combustión
Históricamente la combustión de carbón ha sido asociada con síntomas respiratorios y de
mortalidad (19), los cuales se deben principalmente a periodos de exposición relativamente
cortos a altas concentraciones. El carbón es utilizado principalmente para uso residencial,
calentamiento industrial, generación de energía y en múltiples proceso industriales. Las
emisiones de carbón dependen de la naturaleza del mismo, generalmente la estructura del
carbón es de tipo polimérica con núcleos de anillos aromáticos, adicionalmente contiene
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24
aproximadamente 0.5-5% de azufre, 1.5% de nitrógeno, elementos volátiles y algunos
minerales que generan entre 5-30% de cenizas (20). Cuando la combustión no es completa se
forma hollín y material particulado, así como sustancias aromáticas tóxicas, monóxido de
carbono, VOC´s (compuestos orgánicos volátiles), óxidos de nitrógeno NOx, óxidos de azufre
SOx y gran cantidad de cenizas de alto contenido de carbón residual. En el caso contrario
cuando se presenta combustión completa se obtiene principalmente bióxido de carbono, agua,
SOx, NOx y cenizas sin carbón residual. Algunos estudios (21) (22) (23) (24) , han demostrado
que las fracciones neutrales de aromáticos que contienen hidrocarburos policíclicos aromáticos
PAHs son responsables por la fracción predomínate de la actividad mutagénica de las
emisiones de combustión del carbón. En algunos procesos industriales que utilizan hornos de
carbón se pueden formar además de los PAH, compuestos como aminas aromáticas y
compuestos aromáticos heterocíclicos (19). Estudios realizados en diferentes ciudades de
Estados Unidos han encontrado que la mayor fuente de generación de partículas finas es la
combustión del carbón (25), siendo estas las mayores contribuyentes de la masa del PM 2.5,
seguido por los sulfatos. Las partículas emitidas por la combustión del carbón se encuentran en
tamaños entre 0.8 y 2 µm (26), lo que hace que tengan largos tiempos de residencia debido a
su tamaño pequeño y participen en reacciones que generen PM secundario.
Por otra parte la mayor fuente de polución urbana son las emisiones de los diferentes tipos de
transporte que funcionan con combustibles fósiles como gasolina y diesel, siendo este último el
mayor contribuyente de las emisiones de PM. Las concentraciones típicas a las cuales las
poblaciones humanas están expuestas varían desde 1-10 μg/m3, para áreas urbanas, hasta
valores superiores a 1 mg/m3 en operaiones subterráneas de minería (27). Otros estudios
realizados señalan que la concentración media en exposiciones de tipo ocupacional puede
variar entre 4 μg/m3 para conductores de buses y camiones hasta 170 μg/m3 para trabajadores
de minas (27). Debido a las regulación que actualmente existen en las zonas urbanas para
emisiones de PM, la magnitud de las exposiciones de material particulado en los ambientes
urbanos es baja en comparación con las exposiciones ocupaciones, razón por la cual en las
últimas décadas se ha incrementado el estudio sobre los efectos de exposiciones de PM en
ambientes ocupacionales (28).
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25
Entre los combustibles fósiles más usados (diésel y gasolina), aproximadamente la quema de
diésel emite 100 veces más carbón elemental (EC)6 y 20 veces más carbón orgánico por milla
que los motores a gasolina (19). Adicionalmente las partículas emitidas por los motores de
gasolina y las de diésel difieren en la temperatura de emisión de carbón orgánico (OC)7 (29), en
las especies orgánicas moleculares (30) y en la cantidad de compuestos mutagénicos (31).
Debido a la baja emisión de material particulado de los motores de gasolina en comparación
con los motores diésel, este último es el más estudiado en la literatura; una distribución
general de sustancias en el material particulado proveniente de combustión de diésel se
muestra en la Figura 8.
Figura 8 . Distribución general de la composicion de PM de diésel (32).
La caracterización del PM está sujeta a la fuente de emisión del mismo, la calidad de las
partículas emitidas por combustión de diésel dependen tanto de la eficiencia del combustible
como la vida de servicio de los equipos. Las partículas emitidas por combustión de diésel son
de dos tipos (33): a) aglomerados de partículas primarias entre 15-30 nm de diámetro,
compuestas de carbón elemental y trazas de cenizas metálicas, y un núcleo con compuestos
condensados orgánicos pesados y sulfatos, y b) nucleación de partículas, compuestas de
hidrocarburos condesados y sulfatos.
6 EC por sus siglas ingles Elemental Carbon 7 OC por sus siglas en ingles Organic Carbon
Otros25,73%
Metales1,27%
OC25%
EC48%
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26
Múltiples estudios de análisis de metales en el material particulado muestran que los
elementos más comúnmente encontrados son plomo(Pb), cadmio(Cd), níquel(Ni), cromo(Cr),
vanadio(V), manganeso(Mn), cobre(Cu) y hierro(Fe), aunque estos varían en concentración y
distribución de tamaño depende del lugar donde se analiza, de la naturaleza de la emisión y de
transformaciones químicas, y en lugares específicos pueden encontrase otros metales
dependido de el origen en las emisiones. Los metales en el PM hacen parte de la masa total del
material particulado en cualquiera de sus 3 modos. Por ejemplo metales como Pb (0.96 ± 0.71
μm) y Cd (1.14± 0.82 μm) se encuentra comúnmente en las partículas de modo de
acumulación, los metales como Ni (1.45 ± 0.88 μm) ,Cu (2.04± 0.77 μm) y Mn (2.61 ± 1.23 μm)
se distribuyen entre partículas finas, intermedias y gruesas, y metales como el Fe (3.82 ± 0.88
μm) que se encuentra mayoritariamente en partículas con diámetros mayores a 2.7 μm. (34).
La partículas pueden formase durante la combustión y/o cuando se condesan los vapores, lo
cual indica que tanto el motor como las condiciones del ambiente determinan la fracción de los
compuestos semi volátiles del material particulado, tanto en la fase gaseosa como en la fase
sólida.
3.2 PM re-suspendido
Las altas concentraciones de material particulado cerca de las vías pueden provenir de
diferentes fuentes primarias como se explico anteriormente. Las fuentes combustibles son
unas de las principales, sin embargo existen otras fuentes como el freno de las llantas y el
polvo re-suspendido de las vías, la cuales también contribuyen en la concentración global de
material particulado (35). El polvo re-suspendido repetidamente, de origen natural o humano,
debido a la acumulación en diferentes sitios del ambiente se llama polvo re-suspendido o
material particulado re-suspendido. El material re-suspendido es generalmente de origen
geológico, es un conjunto de materiales duros, de forma estable e inerte que se encuentran
principalmente en el suelo y en los cementos que se emplean en la fabricación del mortero y
del hormigón.
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27
El comportamiento del PM re-suspendido como agente tóxico depende tanto de la calidad
física como de la composición química. La forma de la mayoría de las partículas presentes en el
material particulado re-suspendido tiene forma aproximadamente esférica, sin embargo se
encuentran algunas fibras alargadas de asbesto las cuales debido a su estabilidad y su rigidez
mecánica dañan las células que intentan penetrar, causando un efecto cancerígeno (36), el
tamaño como se ha mencionado anteriormente en una característica física muy importante y
el PM re-suspendido es el mayor contribuyente de la fracción gruesa del material particulado
con tamaños entre 2.5μm-10μm (37).
La toxicidad del material particulado depende principalmente de su composición química y el
material particulado re-suspendido está compuesto principalmente por minerales como:
magnesio (Mg), sílice (Si), aluminio(Al), potasio (K), sodio (Na), calcio (Ca), hierro (Fe), titanio
(Ti) y carbonatos de calcio (37), y si los sitios estudiados se encuentran cerca de zonas marinas
se pueden encontrar elementos como sodio (Na) y cloro (Cl) (35). Los valores de concentración
de PM re-suspendido en PM 10 y PM 2.5 se encuentran entre 1.7-3.9 μg/m3 y 1.3-4.7μg/m3
respectivamente (35), y estos varían principalmente según la meteorología del lugar.
Adicionalmente, algunos estudios señalan que el nivel de Sílice cristalina en el PM10 puede
encontrarse entre 3.3-7.8% (38).
Investigaciones han encontrado que para que estos minerales tengan un efecto nocivo sobre la
salud, la exposición debe ser prolonga y a altas concentraciones(a excepción de los asbestos)
(36), las concentraciones elevadas se reportan frecuentemente en ambientes ocupaciones,
más que en ambientes exteriores. La sílice en forma cristalina es uno de los minerales mas
estudiaos en la literatura (39) (40), principalmente en ambientes ocupacionales debido a sus
alta citotoxicidad (38).
Uno de los ambientes ocupacionales relacionados con PM re-suspendido reportado en la
literatura es el caso de la fabricación de kiln brick. Las evaluaciones ocupaciones de este
proceso se centran en las emisiones de material particulado, PM10 y PM2.5, reportando
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28
concentraciones de PM extremadamente altas para PM10, de 200 a varios miles de μg/m3, y en
el caso del humo, las partículas PM2.5 reportan un 70% o más del nivel de PM10 (41), (42).
4. TOXICIDAD DEL MATERIAL PARTICULADO
Correlaciones entre altas concentraciones de material particulado e índices de morbilidad y
mortalidad se encuentran ampliamente reportadas en la literatura (43) (44) (45) (46), estos
estudios evidencian muertes prematuras causadas por exposiciones a PM de largo y corto
termino, principalmente de finos (PM2.5) debido a su habilidad de acumulación y de
transporte hasta las regiones más internas de los sistemas respiratorios (47). En la Figura 9, se
presentan algunos de los resultados reportados en los estudios.
Por otra parte, estudios de morbilidad han demostrado que el material particulado urbano
tiene efectos adversos sobre la salud, estos estudios señalan que la exposición a largo plazo
incrementa el riesgo de padecer cáncer de pulmón, enfermedades respiratorias y
arterosclerosis, mientras que las exposiciones de corto plazo o picos, causan la exacerbación de
diferentes enfermedades respiratorias como asma y bronquitis, así como cambios en la
variabilidad del rito cardiaco (48) (49) (50).
Al comienzo de la década de los noventa Schwartz et al. aplicó métodos estadísticos que
fueron capaces de demostrar los efectos del material particulado en la salud, en
concentraciones que hasta el momento se consideraban seguras. La hipótesis inicial de los
estudios planteaba que debido a las características de la superficie del PM (carbón elemental
principalmente), múltiples sustancias podían adherirse a este y convertirse en un agente
trasportador hasta los diferentes sistemas internos del cuerpo humano (respiratorio,
sanguíneo, entre otros). Desde entonces esta hipótesis ha permitido el desarrollo de múltiples
estudios epidemiológicos, los cuales como se observa en la Figura 9, a concentración bajas de
PM no reportan relaciones significativas con mortalidad, indicando que las muertes prematuras
asociadas con PM pueden presentarse mayoritariamente en ambientes ocupacionales, donde
es más frecuente encontrar concentraciones altas, y no en el ambiente exterior donde las
GONZÁLEZ RAMÍREZ María Alejandra IAMB 201010 08
29
concentración pueden ser relativamente baja y donde las mediciones son complejas debido a
las múltiples variables como: que patrones de alimentación, polimorfismos genéticos, edad,
comportamientos e intervenciones farmacológicas, entre otros; pueden influenciar la magnitud
de la respuesta de los individuos a la exposición.
Figura 9.Relación de PM y mortalidad en análisis de cohorte (46).
Los incrementos en la morbilidad están relacionados con: problemas cardiacos y respiratorios,
decrecimientos en la capacidad pulmonar de niños y adultos con enfermedades de obstrucción
de las vías respiratorias, incrementos en la prevalencia diaria de síntomas respiratorios en
niños y adultos, y efectos a largo plazo como daños a nivel de genotipo. De igual forma, los
efectos sobre la salud, también tienen implicaciones indirectas en factores socioeconómicos
como: incrementos en las limitaciones funcionales reflejadas en la ausencia a centros
educativos o restricción de actividades diarias, incrementos en las visitas a los departamentos
físicos y de emergencia por casos de asma y otras condiciones respiratorias (47).
Los efectos sobre la salud dependen de la naturaleza de emisión del material particulado, de
las características propias del individuo receptor, de los tiempos de exposición y sobre todo de
las concentraciones del contaminante, lo anterior expresado generalmente en función de la
dosis-repuesta (D-R). Este indicador permite correlacionar mortalidad y morbilidad de
poblaciones susceptibles a contaminantes atmosféricos específicos (47). La Tabla 5, representa
un resumen de los impactos a la salud expresada en función de la dosis-respuesta de: PM10,
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30
PM2.5, BS (black smoke) y TSP (Total suspended particles) a partir de una recopilación de
múltiples estudios alrededor del mundo (51).
Tabla 5. Impactos sobre la salud de PM 10, PM 2.5, BS, TSP, en función de dosis-respuesta (51).
Sin embargo algunos de los estudios de la Tabla 5, asumen toxicidad igual para todo el material
particulado sin distinguir la fuente de contaminación o la composición química, lo cual impide
realizar una selección por componente, y entonces debe entenderse que la toxicidad está
referida a la capacidad generalizada del PM a tener efectos sobre la saludad humana.
Como se ha mencionado anteriormente el material particulado está compuesto de múltiples
elementos y sustancias, las cuales se ven afectadas principalmente por la naturaleza de las
emisiones y las condiciones meteorológicas, las propiedades del PM que pueden presentar
variaciones geográficas que influyen sobre la toxicidad de las partículas son (52):
Composición química de los elementos mayoritarios en la masa total: sulfatos, nitratos,
amonio, cloro, carbón elemental y orgánico, materiales de origen geológico, materiales
biológicos.
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31
Contenido de elementos que se encuentran en trazas: metales principalmente como plomo
(Pb), cadmio (Cd) y mercurio (Hg) en dosis medibles.
Contenido de ácidos fuertes: ácido nítrico y ácido sulfúrico, estos se forman cuando
ocurren los procesos de oxidación para la formación de nitrato y sulfato. Sin embargo para
que estos ácidos se incorporen a las partículas necesitan de condiciones muy específicas
(52).
Contenido de sulfatos: Algunos estudios han encontrado que es uno de los mayores
componentes de la masa de PM2.5 (52).
Las sustancias de alta toxicidad encontradas en el material particulado están relacionadas
frecuentemente con partículas finas de origen de combustión (Transporte e industrial), estas
partículas están compuestas principalmente de metales, hidrocarburos y partículas secundarias
formadas a partir de reacciones químicas con compuestos gaseosos presentes en la atmósfera.
Las partículas finas son menores de 2.5μm en diámetro, tienen un porcentaje alto del total de
la masa en partículas de 0.5μm (50) y tienen una superficie relativamente grande para
adsorber compuestos aromáticos policíclicos (PAH) (53) (50), los cuales varían en
concentración dependiendo del tipo de PM: urbano, industrial o rural. Algunos estudios no han
encontrado diferencias significativas en el contenido de PAH entre material grueso y fino
urbano, pero reportan diferencias significativas entre la concentración de PAHs en material
particulado ultrafino urbano y rural (54). Además se he encontrado que los PAHs y sus
derivados son formados durante la combustión, mientras que, los metales precursores de
radicales libres son generados por los materiales utilizados en los equipos de control de
emisiones como los catalizadores (50).
Los hidrocarburos generados en procesos de combustión son principalmente hidrocarburos
aromaticos policíclicos (PHA’s), algunos de los cuales son carcinogénicos como:
benzo(a)antraceno, benzo(k)fluoranteno, benzo(a)-pireno, benzo(b)fluoranteno, indeno(1,2,3-
cd)pireno y dibenzo(ah)antraceno, y algunos son mutagénicos como los derivados de los mono-
y di-nitro PAH’s. Los PAH’s se han encuentrado en muestras de hollín de diésel, emisiones de
automóviles, cenizas de carbón, y en aire contaminado (50). Algunos de los nitro-PAH como: 1-
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32
nitropireno, 3-nitrofluoranteno, y algunos dinitropirenos han sido identificados como sustancia
potencialmente mutagénicas (55). Estos compuestos orgánicos se encuentran en mayor
proporción en las partículas generadas por motores diésel en relación a las partículas de otros
combustibles como carbón. Aunque el PM de quema de carbón reporta contenidos de
aromáticos nitrogenados, aminas aromáticas y compuestos orgánicos heterocíclicos, estudios a
nivel celular han encontrado que el material particulado proveniente de estas quemas son
potencialmente menos peligrosos que las partículas provenientes de quema de Diésel (56).
Las partículas emitidas por los motores diésel reportan elevadas concentración de PAH,
metales y una alta capacidad de generación de raciales (50), esto debido a que la superficie de
las partículas emitidas por motores diésel tienen gran capacidad de absorción de PAH’s y nitro-
PAH’s (33). Los PAHs están asociados a diversas repuestas biológicas, incluyendo peroxidación
de lípidos y estrés oxidativos, liberación de citoquinas, niveles elevados de fibrinógeno en
plasma, y cambios en la presión sanguínea/vascular. Los PAH y sus derivados son formados
durante la combustión, mientras que los metales precursores de radicales libres, son
generados por los materiales utilizados en los equipos de control de emisiones como los
catalizadores (50).
Compuestos mutagénicos específicos como: como 1-nitropireno y benzo[a]pireno, han sido
encontrados en el PM diésel, así como fracciones polares de PAHs y Nitro-PAHs, los cuales han
sido determinado como compuestos mutagénicos (57). En la Tabla 6, se pueden observar los
compuestos típicos presentes en el material particulado generado en procesos de combustión
de motores diésel, los cuales tienen efectos nocivos en la salud.
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33
Tabla 6 .Compuestos típicos de PM en emisiones de diésel (27).
Como se ha mencionado anteriormente los metales hacen parte de la masa total del PM y sus
efectos sobre la salud humana se encuentran reportados ampliamente en la literatura. Metales
como el plomo, el cadmio y el mercurio son altamente tóxicos, y aunque en varios países del
mundo el plomo es todavía un elemento presente en los combustibles, actualmente estos no
representan un problema de estudio en los países desarrollados, debido a que las fuertes
regulaciones ambientales han generado una reducción significativa en la contracción de estos
en el aire ambiente, obteniendo niveles que no se consideran potencialmente tóxicos
mediante los mecanismos clásicos de toxicidad (58). Sin embargo, estudios recientes sugieren
que los metales de transición (hierro, vanadio, níquel) y en especial el hierro, es
potencialmente tóxico debido a que este es promotor de radicales hidroxilos (OH-) (58). Los
radicales hidroxilos son muy reactivos, pueden reaccionar con lípidos, proteínas, ADN e
hidratos de carbono provocando así oxidaciones múltiples de compuestos celulares,
produciendo lo que se denomina daño oxidativo mediante reacciones en cadena. Los metales
COMPONENTE EMITIDO
PRODUCTOS DE REACCIONES
ATMOSFÉRICA
IMPACTO BIOLÓGICO
Carbón elemental - El núcleo adsorbe compuestos orgánicos.
El tamaño permite transporte hasta los pulmones (alveolos).
Sulfato inorgánico - Irritación del sistema respiratorio
Hidrocarburos (C14-C35)
Aldehídos, cetonas y alkyl- nitratos
Desconocidos
PAH's (≥4 anillos) Nitro-PAH's (≥4 anillos) Nitro-PAH's lactones
Cadenas largas de PAH's son los mayores contribuyentes de carcinogénicos. Varios Nitro-PAH's son potencialmente mutagénicos y carcinogénicos.
Nitro-PAH's (≤3 anillos)
Derivados de los Hydrosilated-nitro
Varios Nitro-PAH's son potencialmente mutagénicos y carcinogénicos. Algunos productos de reacciones son mutagénicos en bacterias.
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34
se asocian a problemas pulmonares, sistémicos y cardiovasculares; pueden producir
alteraciones en el ritmo cardiaco y desarrollar arritmias cardiacas.
Respecto a los sulfatos, aunque algunos estudios toxicológicos (43), (59), han encontrado
correlaciones entre la concentración es de sulfatos y tasas de mortalidad, así como
correlaciones entre sulfatos y la formación de material particulado fino, se considera que los
efectos sobre la salud humana se presenta en concentraciones de mg/m3, lo cual es algunos
órdenes de magnitud mayor que los encontrados en el aire ambiente (varia de ciudad a
ciudad, tanto en PM10 como en PM2.5) y sus efectos sobre la salud se presentan
principalmente en las funciones pulmonares.
5. BIOMARCADORES PARA MATERIAL PARTICULADO
Los biomarcadores son utilizados como evaluadores de riego a la salud, para diagnósticos
clínicos y para monitoreo. Uno de los objetivos principales de los estudios con biomarcadores
es evaluar los riesgos de la cadena exposición-enfermedad, identificando sustancias y
condiciones ambientales peligrosas y prediciendo los riegos de estos sobre la salud humana. En
la Figura 10, se observan los biomarcadores utilizados en la evaluación de riegos desde la
exposición hasta el desarrollo de la enfermedad.
EXPOSICION
Total
Carga
Cuerpo
Dosis a tejido
objetivo
Excreta
Tejido no
objetivo
Dosis efectiva
Biológica
Aductos
macromoleculares
no efectivos
Cambios
bilógicos
iniciales
Celulas u organelos
no objetivo
Reparacion
Lesiones
preclinicas
Lesiones
clinicas
Excrecion
reparadora
Respuesta
Psicologica
Reparacion
MARCADORES BIOLOGICOS
DE DOSIMETRIA
MARCADORES BIOLOGICOS
DE EFECTO
Figura 10. Cadena exposición-enfermedad, evaluación de riesgos (60).
GONZÁLEZ RAMÍREZ María Alejandra IAMB 201010 08
35
Como se ha señalado en capítulos anteriores, varias investigaciones han encontrado que el PM
y sus componentes son agentes nocivos para la salud humana, incluso han sido asociados con
procesos carcinogénicos, encontrando así en el uso de biomarcadores un método importante
de monitoreo y evaluación de los agentes tóxicos en contacto con el cuerpo humano. Lo
anterior se debe en gran parte a que los biomarcadores pueden cuantificar los eventos
biológicos que permiten diferenciar entre condiciones biológicas normales y anormales a
través de: agentes contaminantes y/o sus metabolitos químicos inusuales, cambios genéticos y
alteraciones en la expresión de genes, proteínas y bases.
Los biomarcadores han sido principalmente utilizados es estudios epidemiológicos de cáncer y
enfermedades mutagénicas. Sin embargo en la última década se ha incrementado su utilización
en estudios de medicina ambiental y ocupacional relacionados con agentes tóxicos. Es
importante mencionar que:
Los biomarcadores pueden ser valiosos para reducir las incertidumbres de la
evaluación de riesgos de una enfermedad causada por la exposición a un químico.
Los estudios de los mecanismos de inducción de enfermedades por químicos, proveen
información útil para la selección apropiada de la biomarcadores de dosis biológica
efectiva.
Las investigaciones deben establecer cuantitativamente las relaciones entre los niveles
de los biomarcadores presentes y el grado de exposición previa, así como la
predictibilidad de los efectos sobre la salud.
Como se ha mencionado anteriormente los biomarcadores pueden ser clasificados
dependiendo de su uso:
GONZÁLEZ RAMÍREZ María Alejandra IAMB 201010 08
36
Tabla 7. Clasificación de biomarcadores por uso.
BIOMARCADORES DE
EXPOSICIÓN
BIOMARCADORES DE
EFECTO
BIOMARCADORES DE
SUSCEPTIBILIDAD
Confirmar o evaluar la
exposición de individuos o
poblaciones a una sustancia
especifica, ligando la
dosimetría externa e interna.
Pueden ser utilizados como
reporte de alteraciones
preclínicas o de efectos
nocivos causados por la
exposición externa y la
absorción de un químico. Por
tanto ligar los biomarcadores
entre la exposición y los
efectos contribuye a la
definición de la relación
dosis-respuesta.
Miden la tendencia individual
a desarrollar una enfermedad
a un nivel de exposición dado.
Es importante la identificación del tipo de biomarcador que se necesita para llevar a cabo los
objetivos de las investigaciones correspondientes. En el material particulado la identificación
de biomarcadores de dosis interna asociado con PM es difícil, debido a la naturaleza física,
química y biológica compleja de la composición del PM, además porque los constituyentes no
han sido determinados en su totalidad. Los estudios de biomarcadores de PM estudian
principalmente carbón elemental, carbón orgánico (principalmente PAHs) y metales. Algunos
estudios de biomarcadores para PM, no son generales para este, por el contrario se estudian
sustancias especificas presentes en la fracción particulada de interés o sus metabolitos una vez
absorbidos en el cuerpo. Como se ha mencionado anteriormente las características del PM
dependen de las fuentes de emisión y de las características meteorológicas del lugar de
emisión, sin embargo en la literatura se encuentran estudios en su mayoría de PM de origen de
combustiones incompletas de diésel y carbón elemental, y de compuestos especificaos
presentes en este tipo de PM, así como de algunos elementos de PM re suspendido como
metales. Anqué los estudios se realizan tanto en aire ambiente como en espacios
ocupacionales, la mayoría de estos se han realizado en ambientes ocupacionales donde las
GONZÁLEZ RAMÍREZ María Alejandra IAMB 201010 08
37
concentraciones son mayores y se encuentra una relación positiva entre exposición y efectos
nocivos. Las sustancias más estudias son el carbón elemental del PM y sustancias como
Hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs), nitro-Hidrocarburos aromáticos policíclicos
(nitro-PAHs) y metales.
5.1 Biomarcadores de Exposición
Estos biomarcadores estiman la exposición de forma cualitativa y cuantitativa mediante
mediciones o modelos. Las mediciones de las concentraciones de los agentes contaminantes
pueden realizarse en ambientes u objetos externos a los individuos (comida, agua, aire etc.) o
directamente en estos, obteniéndose así evidencia directa de un agente específico y de su
dosis absorbida. Este tipo de biomarcadores puede reflejar la distribución del agente químico o
su metabolito en el organismo.
Los métodos principales de evaluación a la exposición a un químico se dividen principalmente
en:
medición de los niveles de los agentes químicos y sus metabolitos y/o derivados en
células, tejidos, fluidos corporales o excretas.
Mediciones de repuestas biológicas a nivel celular y cambios fisiológicos reversibles en
los individuos expuestos.
La combinación de los métodos a y b (aductos de proteína o aductos de ADN)
En la Figura 11 se observa el desarrollo de los biomarcadores de exposición en la cadena
exposición-enfermedad. En esta se puede observar que únicamente una proporción pequeña
de la dosis absorbida actuará como dosis biológica efectiva. También se puede observar que la
dinámica de la dosis interna decrece a medida que se distribuye y se metaboliza, minimizando
así la dosis efectiva que alcanza un tejido o célula objetivo, o un sitio critico, razón por la cual
es compleja la asociación entre exposición y dosis efectiva a medida que la sustancia penetra
los tejidos más profundos. Para evaluar la dosis interna es importante conocer la cinética de
GONZÁLEZ RAMÍREZ María Alejandra IAMB 201010 08
38
formación y remoción de este tipo de biomarcadores para encontrar de manera acertada la
relación dosis-respuesta. La dosis interna puede ser medida a:
Especies químicas activas (mismo compuesto o metabolitos) que se encuentren en
tejidos o células objetivo. Ej. Cuantificación de los enlaces covalentes de especies
reactivas con macromoléculas.
Especies químicas reactivas que se encuentren en organelos o macromoléculas
objetivo. Ej. Cuantificación de aductos totales de ADN.
Especies químicas reactivas que participen en reacciones bioquímicas. Ej.
Cuantificación de aductos específicos de ADN o especies biológicas efectivas que
inciden en procesos carcinogénicos.
Figura 11.Progresión de la acción de los biomarcadores de dosis interna hasta el nivel molecular de dosis efectiva.
El parámetro de half-life es muy importante, y este depende de la cinética de formación y de
descomposición del biomarcador. Por ejemplo, los químicos que son eliminados rápidamente
como los vapores en el aire exhalado o los metabolitos urinarios, pueden presentar grandes
cantidades durante o inmediatamente después de la exposición, pero no son detectables
tiempo después. Otros biomarcadores, como los aductos formados con las proteínas de la
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39
sangre, pueden representar solo una fracción pequeña de la dosis interna total, pero debido a
que tienen un half-life largo en el cuerpo, pueden acumularse hasta niveles detectables con
exposición continua. En la Figura 12 se observan relaciones hipotéticas entre biomarcadores de
exposición con respecto a sus niveles y tiempo de reparación después de una única dosis. A
partir de este tipo de datos sobre las propiedades cinéticas es posible definir exposiciones
anteriores. Por ejemplo, si una persona ha sido sometida a una única y reciente exposición a
un químico, los niveles de biomarcadores con corta half-life serán relativamente en
comparación con aquellos que tienen un half-life largo. Por el contrario si la exposición es
continua, los niveles de biomarcadores tanto de half-life corta y larga deben ser altos. Si una
persona fue expuesta con anterioridad, solo los biomarcadores de half-life larga serán
detectables.
Figura 12. Relaciones de diferentes biomarcadores con niveles y tiempo de aparición después de una única dosis.
Los estudios de la cinética de biomarcadores para material particulado se han realizado para
algunas sustancias que han sido inidentificadas comúnmente en el PM de diferentes lugares,
encontrando así biomarcadores que pueden representar la exposición y la dosis efectiva
biológica de la exposición de estas sustancias.
GONZÁLEZ RAMÍREZ María Alejandra IAMB 201010 08
40
Los PAHs son formados durante procesos de combustión incompleta, son considerados como
los principales causantes de actividades mutagénicas indirectas (61) y han sido identificados
como biomarcadores de exposición reciente a material particulado. La sustancia comúnmente
utilizada como parámetro de exposición individual a los PAH’s es 1- hydroxypyrene (1-OHP) en
orina (62).El 1-OHP es el metabolito principal del pireno, este puede ser excretado en la orina
como un compuesto simple o conjugado como ácido gluconico 1-hydroxypyrene-glucuronide
(1-OHPG), y su vida media ha sido estimada de 6-35 h, en estudios de trabajadores de hornos
de carbón (63). Aunque estos metabolitos (1-OHP y 1-OHPG) no representan biomarcadores
específicos de PM, debido a que el pireno se encuentra mayoritariamente en la fracción volátil
de las emisiones de diesel (64); algunos estudios han encontrado relaciones entre los niveles
de PM en aire ambiente y la excreción de 1-OHP (62) (65). Aunque las relaciones más
significativas se encuentran en ambientes ocupacionales donde la concentración de PM es más
elevada, algunos estudios han encontrado que habitantes en ciudades con mayores
concentraciones de PM10 (>120μg/m3) excretan mayores niveles de 1-OHP en relación a los
habitantes de ciudades menos contaminadas (65); otros estudios señalan relaciones entre la
excreción de 1-OHPG y el PM del aire ambiente en ciudades (62). Por el contrario otros
estudios no señalan diferencias significativas en la excreción de 1-OHP y la concentración de
PM, entre áreas urbanas y rurales (48). La diferencia entre los resultados positivos y negativos
de los estudios puede encontrase en la población objetivo de estudio, si son ambientes con
altas concentraciones de PM o si por el contrario son ambientes externos. A partir de estas
diferencias se puede concluir que el 1-OHP puede predecir acertadamente exposiciones a altas
concentraciones, pero en aire ambiente puede no ser lo suficientemente sensible.
El 1-nitropireno (1-NP), es un biomarcador comúnmente usado para exposiciones de PM de
combustión de diésel, debido que éste es uno de los nitro-sustitutos más abundantes de los
PAHs y este se encuentra asociado las partículas y su potencialidad mutagénicas (66).
Adicionalmente los niveles de 1-NP, están asociados con 1,3-,1,6-, y 1,8-dinitropirenos, los
cuales se encuentran entre las sustancias nitro-PAHs mas mutagénicas (67). Aunque el diésel es
considerado como la mayor fuente de exposición a los nitro-PAHs, existen reportes de estas
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41
sustancias en emisiones de motores de gasolina, partículas de aire ambiente y aire en
interiores (68).
Otros biomarcadores como SPMA (S-phenyl mercpturic acid) y el TtMA (trans,trans-muconic
acid) pueden ser utilizados si en la caracterización del PM en estudio se encuentra presencia de
benceno, ya que estos sustancias son metabolitos del benceno los cuales pueden ser medidos
en orina, especialmente el SPMA, el cual ha mostrado una relación significativa con la
exposición externa a benceno en ambientes ocupaciones (48).
Adicional a las características carcinogénicas y mutagénicas de algunas sustancias del PM, otros
estudios han investigado relaciones entre la exposición de PM y la inducción y/o exacerbación
de eventos inflamatorios en el cerebro de ratones, encontrando incrementos en los niveles de
algunos biomarcadores en el cerebro. En este tipo de estudios se ha identificado la relación de
factores de transcripción inmunológicos relacionados como el NF-kB, así como el principal
proinflammatory cytokines IL-1α y TNF- α, los cuales representan biomarcadores de exposición
a PM en aire ambiente. El NF-kB promueve la expresión de genes involucrados a inflamaciones
cerebrales como los proinflammatory cytokines, iNO (inmune nitric oxide synthases) y factores
complementarios (69).
La presencia de químicos específicos del ADN y algunos aductos de proteínas pueden ser
utilizados como biomarcadores de exposición, pero adicional a la información de exposición
que este tipo de biomarcadores pueden ofrecer, estos representan dosis biológicas efectivas y
muestran un rango posible de susceptibilidad (70). Otros biomarcadores utilizados en la
evaluación de exposición de PM son: 8-oxo-7,8-dihydro-2′-deoxyguanosine (8-oxodG) en WBC,
fibrinógeno, recuento de plaquetas, conteo total de glóbulos blancos (total WBC) y partículas en
sputum macrófagos.
En general los metales que no sufren transformaciones en el cuerpo son excretados y pueden
ser medidos en sangre, orina, pelo y uñas.
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42
5.2 Biomarcadores de Efecto
Los biomarcadores de efecto representan tanto exposición como efectos adversos sobre la
salud. Este tipo de biomarcadores pueden ser utilizados directamente para la identificación
agentes tóxicos y la caracterización de la toxicidad asociada. Además evalúan la dosis-repuesta
a efectos biológicos tempranos, efectos y/o modificaciones estructurales/funcionales a nivel
celular relacionados con el desarrollo y eventual incremento en la incidencia de enfermedades
específicas.
Un rango limitado de tejidos está disponible para realizar análisis rutinarios de biomarcadores,
es por esto que los tejidos más asequibles son usados como sustitutos de los conocidos como
tejidos objetivos.
El PM y sus componentes pueden alcanzar diferentes tejidos en el cuerpo humano,
dependiendo de la investigación los biomarcadores de dosis interna pueden clasificarse
dependiendo del tejido evaluado:
Biomarcadores hematológicos
Biomarcadores de nefrotoxicidad
Biomarcadores de hepatoxicidad
Biomarcadores de inmunotoxicidad
Biomarcadores de genotoxicidad
Biomarcadores de toxicidad pulmonar
Biomarcadores de neurotoxicidad.
Los biomarcadores de defecto listados anteriormente son principalmente aductos de ADN y
aductos de proteína, los cuales pueden evaluar la fracción bilógica activa de los xenobioticos,
interactuando con las macromoléculas celulares de un sitio específico. Los aductos
macromoleculares son considerados además de biomarcadores de exposición, biomarcadores
de significancia biológica, es decir biomarcadores de efecto y de susceptibilidad.
GONZÁLEZ RAMÍREZ María Alejandra IAMB 201010 08
43
Aunque los mecanismos mediante los cuales las partículas alcanzan los niveles celulares no
están totalmente definidos para el PM, en la Figura 13, Se observa una hipótesis esquemática
del proceso de transporte del PM.
Figura 13. Diagrama de los eventos hipotéticos desarrollados desde una exposición crónica de partículas hasta el desarrollo de enfermedades como cáncer y arterosclerosis (48).
En la Figura 13 las partículas pueden utilizar diferentes mecanismos para alcanzar los tejidos
objetivos. Algunos estudios señalan que el material particulado puede emplear diferentes
métodos para producir estrés oxidativo, el cual tiene efectos tóxicos a nivel celular y de ADN.
El estrés oxidativo del PM se debe a la naturaleza de algunos de sus componentes y puede ser
generado por 3 métodos principales.
El primer método está relacionado con metales, los cuales inducen la generación de radicales
libres como el radical hidroxilo (OH-), el cual a su vez induce la formación de especies reactivas
del oxígeno (ROS), y estas especies tienen efectos nocivos sobre el sistema inmune, causando
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44
daños pulmonares neutrofílicos agudos y liberando mediadores inflamatorios8. El estrés
oxidativo pude también ser inducido por la relación entre los macrófagos alveolares y los
neutrofilos, estos fagocitos encargados de digerir y remover las partículas inhaladas por los
pulmones son activadas por metales presentes en el área superficial del PM fino, así como por
compuestos orgánicos o endotoxinas y cuando estas células son activadas se produce una
liberación de algunas citoquinas y de ROS.
Por último el estrés oxidativo puede ser causado por la fracción orgánica del material
particulado, debido a que estas sustancias promueven reacciones de reducción-activación de
quinonas, los cuales se generan durante el metabolismo de algunos PAHs produciendo ROS
durante su metabolización.
Los biomarcadores de daño oxidativo de ADN, categoría en la cual se encuentran todos los
biomarcadores de dosis efectiva biológica, han sido asociados con un incremento en el riego a
desarrollar enfermedades como cáncer y arterosclerosis. Por tanto estos biomarcadores son
una herramienta importante en la investigación de los mecanismos que inducen efectos
nocivos sobre la salud. En relación al cáncer, cerca de 100 diferentes modificaciones oxidativas
han sido identificadas in vitro, y una de las más abundantes bases modificadas es la
hidroxilación de guaninia ( C8), esta base produce 8-oxo-7,8-dihydro-2’guanine(8-oxoGua), el
cual se cree es el producto mayoritario de los ataques de radicales hidroxilos al ADN. Las
mediciones de 8-oxoGua o de su correspondiente nucleosido 8-oxodG o de su base reparadora
glycosylase 8-oxodG glycosylase (OGG1), son biomarcadores utilizados para medir el nivel de
daño del ADN o la totalidad del ADN afectado. Estos pueden ser medidos por el método HPLC
(High Performance Liquid Chromatography) desde una muestra de tejido o de linfocitos en
ADN, muestras de orina o por el método de commet assay con mediciones de SB y FPG en
sitios sensitivos.
Los anteriores biomarcadores son acertados para evaluar daños oxidativos por PM, múltiples
estudios han encontrado incrementos en los niveles de 8-oxodG después de exposición in vitro
8 Moléculas solubles y difusibles que actúan localmente en el sitio de un tejido dañando o infectado.
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45
e in vivo a material particulado, principalmente PM2.5 (5) (71) (48), sin embargo la mayoría de
los estudios in vivo de 8-oxodG se han realizado a concentraciones significativamente más
elevadas que las encontradas en aire ambiente. Estudios de PM en aire ambiente como el
estudio de Copenhague para conductores de buses y el estudio de niños en Ciudad de Méjico,
han encontrado diferencias en la concentración de 8-OxodG entre zonas urbanas y rurales.
También estos estudios han encontrado correlaciones de 8-oxodG y N7-methylguanine (N7-
MeG) y significancia en la predicción de daños al ADN. El N7-MeG es utilizado como
biomarcador ya que el N7 de la guaninas es el sitio de reacción predomínate, el N7-
methylguanine (N7-MeG) ha sido utilizado como biomarcador de exposición para agentes de
metilación9 tanto endógenos como exógenos como las nitro aminas (72).
Otros estudios han analizado la exposición a PM evaluando la oxidación de proteínas como 2-
aminoadipic semialdehyde (AAS) en proteínas del plasma (PLAAS) y la peroxidación de lípidos
en plasma como el malondialdehyde (MDA) (73). En estos estudios se ha encontrado relación
significativa entre la exposición al humo negro y PLAAS, así como relaciones entre la exposición
de PM2.5 y PLAAS. Estos estudios señalan que aún a bajas concentraciones el PM induce estrés
oxidativo con efectos en el ADN así como en otras biomoléculas. Por otra parte datos
epidemiológicos señalan que la exposición crónica a partículas está asociado con un
incremento en el riesgo a desarrollar enfermedades como cáncer, debido a que el 8-OxoGua
puede ser utilizado como base par durante la replicación, causando mutación de G:C a T:A.
Como se mencionó anteriormente los PAHs generan diferentes compuestos reactivos como
quinonas, los cuales se cree son mutagénicos debido a la generación de ROS y la formación de
aductos. Los biomarcadores de dosis interna efectiva de PAH pueden incluir aductos de ADN y
proteínas (hemoglobina y albumina), y circulación anti-BP DNA. De los anteriores el 32P-
postlabeling es comúnmente es utilizado como biomarcador de aductos de PAH, debido a su
acertada predicción de los efectos carcinogénicos de los PAH´s. Otros biomarcadores como los
de aberración cromosómica (AC) son comúnmente utilizados debido a que la mayoría de los
9 La metilación es la adición de un grupo metilo (-CH3) a una molécula
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46
contaminantes ambientales han demostrado inducir ACs, así como micronucleicos (MN), los
cuales hacen parte de los ACs.
Ensayos de mutación de genes como: HPRT (hypoxanthineguanine
phosphoribosyhransferase)10, HLA (Human leukocyte antigen), GPA (glycophorin A)11 y TCR (T
cell receptor)12, son utilizados para analizar las posibles inducciones a enfermedades
mutagenicas importantes causadas por agentes ambientales. Además existen otros tipos de
ensayos como la electroforesis en una sola célula (Single Cell Gel Electrophoretic) o más
conocido como el ensayo del cometa (comet essay)13, el cual es ampliamente usado debido a
su simplicidad y pueden medir la alteración de la expresión de genes como: genes
metabolizados, genes de reparación de ADN o enzimas específicas y rompimientos o daños en
las cadenas de ADN.
5.3 Biomarcadores de Susceptibilidad.
En los estudios de biomarcadores es importante analizar la predisposición genética de un
individuo a la susceptibilidad de un químico. Existen algunos factores externos como edad,
dieta y condiciones de salud, que pueden influenciar en la susceptibilidad de un individuo
expuesto a un químico.
Aunque los individuos pueden experimentar exposiciones ambientales similares, las diferencias
genéticas en el metabolismo pueden producir diferencias significativas de las dosis en los sitios
objetivos y por tanto una diferencia en el nivel de respuesta. Aún cuando las dosis objetivos
sean similares, pueden existir diferencias significativas en las respuestas entre individuos.
Los biomarcadores de susceptibilidad pueden reflejar factores adquiridos o genéticos que
puedan influenciar las respuestas a la exposición, estos factores pre-existentes e
independientes a la exposición son principalmente de origen genéticos. Sin embargo
10
Gen de las células epiteliales alveolares. 11 La mayor glicoproteína sialica rica en ácido en la membrana de las células rojas de la sangre (RBC). 12 Molécula que se encuentra en la superficie de los T-linfocitos, que es generalmente la responsables de
reconocer enlaces entre antígenos de mayor y moléculas (MHC). 13 The Single Cell Gel Electrophoresis assay, técnica para evaluación de daño de ADN.
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47
enfermedades, cambios fisiológicos, medicamentos y exposiciones a otros agentes ambientales
pueden también alterar la susceptibilidad ambiental. Los biomarcadores de susceptibilidad
indican cuales factores pueden incrementar o disminuir el riesgo individual a desarrollar una
repuesta tóxica debida a una exposición a una agente ambiental.
Diferencias en las tasas de actividad enzimática que controla la activación o desintoxicación de
xenobioticos generan diferencias en la susceptibilidad incrementando o decreciendo la dosis
efectiva biológica del agente ambiental, además diferencias en las tasas de metabolización
pueden afectar la distribución y persistencia de metabolitos.
5.4 Rrevisión de estudios de biomarcadores para PM y/o sus componentes.
En la Tabla 8, se encuentra una revisión bibliográfica de múltiples estudios de biomarcadores
para material particulado y para algunos de sus componentes más comunes. La revisión se
realizó tanto para ambientes exteriores como para ambientes ocupacionales. Posteriormente
En la Tabla 9 se presenta una revisión bibliográfica para parámetros de biomonitoreo de
metales y algunas sustancias presentes en PM, evaluados por métodos propuestos por
organizaciones ambientales y de salud. Finalmente la Tabla 10 lista algunos de los
biomarcadores de susceptibilidad aplicados asociados a agentes presentes en el materia
particulado.
GONZÁLEZ RAMÍREZ María Alejandra IAMB 201010 08
48
Tabla 8. Revisión bibliografía de biomarcadores para PM y/o sus componentes.
SUSTANCIA ESTUDIO FLUIDO BIOMARCADOR ENSAYO Tipo de Estudio
Material particulado PM 2.5
Sorensen et al.(2003)
Sangre 7-hydro-8-oxo-2 -
deoxyguanosine (8-oxodG), en linfositos
Comet Assay
Contaminación atmosférica
sangre PAH aductos en ADN de
linfocitos 32P-postlabelling
orina 1-OHP HPLC con detección
fluorescente
sangre FPG/ENDO-sitios
sensitivos(en linfocitos) Comet Assay
sangre SBs (en linfocitos) Comet Assay
orina 8-oxodG HPLC-
electroquimico
Material Particulado PM0.25; PM0.25–
2.5; PM2.5–10 Delfino et al.(2009)
sangre (plasma)
IL-6 Quantikine HS (R&D
Systems)
Contaminación atmosférica
sangre (plasma)
TNF-α Quantikine HS (R&D
Systems)
sangre (plasma)
sTNF-RII Quantikine HS (R&D
Systems)
sangre (plasma)
(sP-selectin) (Jurk &Kehrel
2005).
sangre (plasma)
CRP Zymutest HIA (HIT)
Assay
sangre (eritrocitos)
Cobre–Zinc superoxide dismutase (Cu,Zn-SOD)
Espectroforometría (Cayman
Chemical®)
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49
SUSTANCIA ESTUDIO FLUIDO BIOMARCADOR ENSAYO Tipo de Estudio
sangre (eritrocitos)
Glutathione peroxidase-1 (GPx-1)
Espectroforometría (Cayman
Chemical®)
PM 2.5 Tovalin et al.(2006) sangre Leucocitos Comet Assay Ambiente ocupacional
PM 2.5 Stricland et al.(1999) orina 1-OHP/1-OHPG HPLC Contaminación atmosférica
PM ultrafino Avogbe et al.(2005) sangre Leucocitos Comet Assay Contaminación atmosférica
PM ultrafino Vinzents et al.(2005) sangre Leucocitos Comet Assay Contaminación atmosférica
Material particulado cargado con PAH
Motykiewicz et al.(1998)
orina 1-OHP HPLC con detección
fluorescente Contaminación atmosférica
PAH, metabolitos de benceno y metales
pesados Wilhelm et al.(2007) sangre Linfocitos Comet Assay Contaminación atmosférica
Benceno Navasumrit et
al.(2005) sangre Leucocitos Comet Assay
Contaminación atmosférica y Ambiente
ocupacional(estaciones de servicio, plantas petroquímicas)
Benceno o metabolitos
Andreoli et al.(1997) sangre Linfocitos Comet Assay Ambiente ocupacional
Arsénico y plomo Yañez et al.(2003) sangre Leucocitos Comet Assay Contaminación atmosférica
Emisiones de carbón Chao et al.(2008)
orina (1-OHP) HLPC
Ambiente ocupacional
orina (8-oxodG) LC-MS/MS
orina Toxicidad aguda Microtox assay
orina Mutagenicidad Ames test
orina N7-methylguanine (N7-
MeG) LC-LCMS/
MS
Emisión de diésel Scheepers et al.(2002) sangre Linfocitos congelados Comet Assay Ambiente ocupacional
Knudsen et al.(2005) sangre Linfocitos congelados Comet Assay Ambiente ocupacional
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50
SUSTANCIA ESTUDIO FLUIDO BIOMARCADOR ENSAYO Tipo de Estudio
Hidrocarburos Aromáticos
Policíclicos (PAH's)
Jongeneelen et al.(1985)
orina 1-OHP HPLC-FD Contaminación atmosférica
Van Delf et al.(2001) sangre Linfocitos Comet Assay Ambiente ocupacional
trabajadores de hornos de carbón
Marczynski et al.(2002)
sangre 8-oxodG Comet Assay Ambiente ocupacional
Siwinska et al. (2004) sangre Leucocitos Comet Assay Ambiente ocupacional
trabajadores de hornos de carbón
Leng et. Al (2004) sangre Linfocitos Comet Assay Ambiente ocupacional
trabajadores de hornos de carbón
Chen et al.(2006) sangre Linfocitos Comet Assay Ambiente ocupacional
trabajadores de hornos de carbón
Qui et al.(2007) sangre Leucocitos Comet Assay Ambiente ocupacional
trabajadores de hornos de carbón
Scherer et al.(2000)
orina 1-OHP HLPC
Contaminación atmosférica
orina SPMA GC-MS;LC-LCMS/
MS
orina tt-MA GC-MS
sangre AND-aductos en
linfocitos 32P-postlabelling
sangre 1-nitropireno-aductos 32P-postlabelling
sangre 8-oxodG Comet Assay
sangre O6-alkilguanina 32P-postlabelling
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51
SUSTANCIA ESTUDIO FLUIDO BIOMARCADOR ENSAYO Tipo de Estudio
Strickland et al.(1999) orina 1-OHP/1-OHPG HPLC con detección
fluorescente Contaminación atmosférica
Cavallo et al.(2006) sangre Leucocitos SCE Ambiente ocupacional
trabajadores de pavimentos
Cebulska et at.(2005) sangre Linfocitos Comet Assay Contaminación atmosférica(
Policías de tránsito)
Sílice Basaran et al.(2003) sangre Linfocitos Comet Assay Ambiente ocupacional
Asbestos Carere et al.(2002) sangre Linfocitos Comet Assay Ambiente ocupacional
Zhao X.H (2006) sangre Leucocitos Comet Assay Contaminación atmosférica
Al,Cd,Co,Cr,Ni,Pb Botta et al.(2006) sangre Linfocitos Comet Assay Ambiente ocupacional
Cr, Ni Danadevi et al.(2004)
sangre Leucocitos Comet Assay Ambiente ocupacional
mucosa bucal
MN en celulas bucales epiteliales
Micronucleus assay
Ambiente ocupacional
Pb
Fracasso et al.(2002) sangre Linfocitos Comet Assay Ambiente ocupacional
Danadevi et al.(2003) sangre Leucocitos Comet Assay Ambiente ocupacional
Steinmetz-beck et at.(2005)
sangre Leucocitos Comet Assay Ambiente ocupacional
Pb, Cd Palus et al.(2003) sangre Linfocitos SCE,FISH,MN Ambiente ocupacional
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52
Tabla 9. Parámetros de biomonitoreo propuesto por diferentes organizaciones.
COMPUESTO MÉTODO FLUIDO BIOMARCADOR
Arsénico (As)
(FIOH14, 1993) orina U-AsIII+
AsV+
(UK HSE15, 1991)
orina
(MMA16+DMA17)
U-AsIII+
AsV+
Cadmio (Cd)
(ACGIH18, 1992) orina U-Cd
sangre B-Cd
(DFG19, 1992) orina U-Cd
sangre B-Cd
(FIOH, 1993) orina U-Cd
sangre B-Cd
(UK HSE, 1991) orina U-Cd
sangre B-Cd
Cromo (Cr)
(ACGIH, 1992)
orina U-Cr (DFG, 1992)
(FIOH, 1993)
(UK HSE, 1991) sangre B-Cr
orina U-Cr
Cobalto (Co)
(DFG, 1992)
orina U-Co (FIOH, 1993)
(UK HSE, 1991)
Lead (Pb)
(ACGIH, 1992)
sangre B-Pb
orina U-Pb
sangre B-ZPP20
(DFG, 1992) sangre B-Pb
orina U-ALA21
(FIOH, 1993) sangre B-Pb
sangre B-ZPP
14Finnish Institute of Occupational Health. 15United Kingdom Health and Safety Executive 16 Monomethylarsinic acid 17 Dimethylarsinic acid 18 American Conference of Governmental Industrial Hygienists. 19 Deutsche Forschungsgemeinschaft. 20 Erythrocyte zinc 21 Delta-aminolevulinic acid
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53
COMPUESTO MÉTODO FLUIDO BIOMARCADOR
(UK HSE, 1991)
sangre B-Pb
orina U-ALA
sangre B-ZPP
Manganeso (Mn)
(FIOH, 1993) orina U-Mn
(UK HSE, 1991) sangre B-Mn
orina U-Mn
Mercurio (Hg)
(DFG, 1992) sangre B-Hg
orina U-Hg
(FIOH, 1993) sangre B-Hg
orina U-Hg
(UK HSE, 1991) sangre B-Hg
orina U-Hg
Níquel (Ni)
(DFG, 1992)
orina U-Ni (FIOH, 1993)
(UK HSE, 1991)
Vanadio (V) (FIOH, 1993)
orina U-V (UK HSE, 1991)
Tolueno
(ACGIH, 1992) orina U-hippuric acid
(DFG, 1992)
sangre B-tolueno (FIOH, 1993)
(UK HSE, 1991)
Benceno
(ACGIH, 1992) orina U-fenol
(DFG, 1992) orina U-fenol
sangre B-benceno,
(FIOH, 1993), sangre B-benceno,
(UK HSE, 1991)
Aire Exhalado-
-
sangre B-benceno
Nitrobenceno (ACGIH, 1992) orina U-p-nitrofenol
sangre B-MetHb
GONZÁLEZ RAMÍREZ María Alejandra IAMB 201010 08
54
Tabla 10. Biomarcadores de susceptibilidad.
FACTOR GENÉTICO AGENTE AMBIENTAL ENFERMEDAD
Xeroderma pigmentosum
genotype
Agentes que causen daño oxidativo
al ADN, PAH, aminas aromáticas y
aflatoxin B1
Cáncer de piel, otro tipo
de cáncer
Arylhydrocarbon hydroxylase
inducibility
Hidrocarburos aromáticos policiclícos Cáncer de pulmón
Glucose-6P-dehydrogenese
deficiency phenotype
Agentes oxidativos, aminas
aromáticas, compuestos nitro-
aromáticos
Pobre resistencia a la
oxidación
Thalassemia phenotype Plomo, benceno. Anemia
IgA deficiency Irritantes respiratorios. Irritación del tracto
respiratorio
6. SELECCIÓN Y VALIDACIÓN DE BIOMARCADORES PARA MATERIAL PARTICULADO
El desarrollo y validación de biomarcadores que puedan relacionar exposiciones ambientales
con desarrollos de enfermedades es uno de los campos de prioridad en las investigaciones
ambientales. La validación de biomarcadores como elementos predictivos tempranos a
enfermedades clínicas puede mejorar la evaluación de riesgo a la salud y contribuir a las
políticas efectivas de prevención a nuevas enfermedades tanto en contaminación ambiental
como ocupacional.
El proceso de selección y validación requiere consideraciones cuidadosas principalmente de
especificidad y sensibilidad del biomarcador, que permitan reflejar una medida de la
distribución desde la exposición hasta la observación de efectos nocivos sobre la salud. Otras
consideraciones específicas deben ser aplicadas para establecer la exactitud, precisión y
seguridad de la calidad del procedimiento analítico para la evaluación del biomarcador
seleccionado.
GONZÁLEZ RAMÍREZ María Alejandra IAMB 201010 08
55
La mayoría de los biomarcadores que han sido utilizados a lo largo de los estudios fueron
desarrollados como subproductos de estudios mecanisticos22, principalmente celulares y de
animales, en estos estudios características como sensibilidad y especificidad, así como la forma
de las curvas dosis-respuesta fueron determinados en laboratorios por múltiples métodos. Sin
embargo en las últimas décadas estos han sido extrapolados a estudios epidemiológicos
humanos.
Como herramienta epidemiológica los biomarcadores deben ser validados para investigación
en poblaciones humanas y varios autores han propuestos rigurosos métodos para la evaluación
de estos en estudios moleculares epidemiológicos (74) (75) (76) (77). Antes de explicar el
criterio de selección y validación de los biomarcadores de exposición, efecto y susceptibilidad,
es importante considerar algunos factores que pueden influenciar la reacción de los individuos
a los químicos xenobioticos. En la Figura 14 se puede observar el resumen de algunos factores
variables que pueden influenciar las interacciones entre el individuo y el químico.
FUENTE RESPUESTAHUÉSPED RUTA DE
EXPOSCIÓNQUÍMICO
DISTRIBUCIÓN
Aire
Agua
Suelo
Alimentos
PROPIEDADES
RUTA
Aire
Oral
Dérmico
Parenteral
EXPOSICION
Dosis
*Concentración
*Cantidad
*Tasa
* Químico puro o
presente en
mezcla
*Absorbido en
partículas
Edad
Raza
Suseptibilidad de
género
Estado de salud.
Inmediato
Demorado.
Figura 14.Factores variables que influencian la interacción químico-individuo (78).
22 Un estudio mecanístico es un estudio que involucra el uso de productos médicos o sustancias medicas a
investigaciones de un determinado proceso o efecto, para la inducción de los mismos.
GONZÁLEZ RAMÍREZ María Alejandra IAMB 201010 08
56
Los factores de la Figura 14 se distribuyen a lo largo de la cadena fuente-químico-individuo,
donde la fuente puede ser aire, agua, suelo o alimentos. Es importante considerar las
propiedades físico-químicas de las sustancia en estudio, si esta se encuentra como gas, vapor o
partícula, y si esta se encuentra presente en una mezcla química compleja o absorbida en una
partícula.
Las características de la exposición también son relevantes, así como la concentración del
químico y su duración, la frecuencia y la magnitud de la exposición y las rutas de exposición al
agente (inhalación, oral, dérmico). Por otra parte las características de los individuos pueden
influenciar la respuesta a la exposición: edad, raza, género, condición física, susceptibilidad
genética, exposiciones previas al mismo o a diferentes químicos. La información relacionada
con los factores anteriores puede ser de gran ayuda en la selección del tipo de biomarcador
que deberá ser usado en la evaluación de exposición, efecto o susceptibilidad del agente en
estudio.
Algunos factores requieren consideración en el proceso de selección y validación de
biomarcadores. Para la identificación de factores en la selección del biomarcador más
apropiador se propone la siguiente metodología general (78):
1. Identificación y definición de los puntos limites de interés.
2. Recolección de datos para la documentación de las relaciones entre la exposición
química, el posible biomarcador y el punto límite. Esta información incluye datos de
estudios in vitro de mamíferos y humanos, los cuales deben estar validados y
evaluados en protocolos de estudio.
3. Seleccionar un biomarcador específico al objetivo del estudio teniendo consideraciones
cuidadoras para identificar si el biomarcador ha sido cuantificado para evaluar la
sensibilidad y especificidad en relación con la exposición, y la significancia con respecto
a cambios en los resultados de efectos en la salud y cambios patológicos a lo largo del
tiempo.
4. Seleccionar los individuos potencialmente disponibles para el análisis, con énfasis en la
protección de la integridad del individuo tanto en la recolección como en el análisis,
prefiriendo las técnicas no invasivas.
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57
5. Realizar una revisión de los procedimientos analíticos disponibles para la cuantificación
del biomarcador y sus limitaciones respecto a la detección limite, la sensibilidad, la
precisión y asertividad.
6. Establecer protocolos de análisis apropiados, los cuales provean aseguramiento y
control de la calidad.
7. Evaluación de las variaciones tanto intra-individuo como inter–individuo para la
población no expuesta.
8. Analizar información existente para establecer las relaciones dosis-efecto y la dosis-
respuesta, y sus variaciones con especial énfasis en la susceptibilidad individual.
Los estudios realizados en humanos diseñados para evaluar y validar un biomarcador en una
población han sido calificados como estudios epidemiológicos transicionales, en su mayoría. Se
llaman transicionales porque estos intentan relacionar las investigaciones exclusivamente de
laboratorio y los estudios en campo con humanos, y aunque los estudios de laboratorio
permanecen críticos, los estudios transiciones son determinados epidemiológicos debido a la
utilización de métodos de esta disciplina. En los estudios transicionales el objetivo está en el
biomarcador, el cual es la variable dependiente; por el contrario la exposición ambiental o los
efectos nocivos sobre la salud son las variables independientes (79).
Varios autores (79), (6), (80) han reportado diferentes metodologías para la selección y
validación los cuales se resumen en la siguiente tabla.
Tabla 11.Pasos para el desarrollo y validación de un biomarcador (6) (79) (80).
PASOS
DESCRIPCION
1 Seleccionar la exposición a ser monitoreada (fuente, exposición humana significante, efectos nocivos
sobre la salud.
2 Selección de biomarcador (cual parámetro como respuesta a la exposición es apropiado).
3 Desarrollo de un método para la medición del biomarcador.
4 Verificación del biomarcador(e.g. en un modelo animal apropiado)
5 Adaptación de un método a las condiciones de campo (sensibilidad, simplicidad, rendimiento)
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PASOS
DESCRIPCION
6 Establecer características famaco-cinéticas, persistencia y dosis-respuesta en humanos.
7 Identificación de factores modificadores(estilo de vida, ocupación, genética)
8 Validación de biomarcadores en un estudio epidemiológico transicional
Concentraciones base y variabilidad de la población.
Variación Inter-individuo e Intra-individuo.
¿El biomarcador cumple con los objetivos propuestos?:
o El biomarcador de exposición debe fuertemente predecir los nivles de exposición.
o El biomarcador de efectos biológicos debe fuertemente predecir los riesgos a
enfermedad.
o El biomarcador de susceptibilidad debe ser capaz de modificar el riesgo.
La metodología de la Tabla 11 es aplicable para la mayoría las validaciones de biomarcadores,
en especial para las mezclas complejas de emisiones y el material particulado. La selección de
un biomarcador de exposición apropiado para mezclas complejas como el aire contaminado y
emisiones de combustibles fósiles es de particular importancia (paso 2), el biomarcador de
exposición debe ser específico para la fuente. Para mezclas complejas inhaladas es deseable
que el biomarcador refleje la exposición de la fase gaseosa, de la fase particulada y de algunos
químicos de toxicología relevante. La selección de un biomarcador de exposición requiere
conocimientos del metabolismo del precursor. Los biomarcadores de efecto deben indicar
efectos tempranos sobre la salud de las mezclas complejas (e.g. estrés oxidativo, inflamación,
peroxidación de lípidos, daños al ADN, mutaciones). Tanto para los biomarcadores de
exposición como de efecto, el muestreo debe ser preferiblemente no invasivo y en algunos
casos será más adecuada la medición de un grupo de biomarcadores que de uno solo. El
método analítico para el desarrollo del biomarcador (paso 3), debe ser especifico, sensitivo,
simple, rápido y robusto, requerimiento que pueden ser difícil de establecer.
La verificación de un biomarcador en un modelo animal apropiado (paso 4), ha sido
desarrollado para múltiples biomarcadores por diferentes investigadores e instituciones. La
adaptación de los biomarcadores a las condiciones de campo (paso 5) es un prerrequisito
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cumplido en la mayoría de los métodos disponibles. Adicionalmente, establecer la fármaco-
cinética, persistencia y la dosis-respuesta en humanos (paso 6) es sin duda uno de los pasos
más importantes de la validación. Tener conocimientos sobre la fármaco-cinética y la
persistencia es fundamental para la definición apropiada de los tiempos de muestro en campo;
como se observó en la Figura 3, los principios de adsorción, distribución, metabolismo y
excreción utilizados en medicamentos pueden ser aplicados análogamente a los
biomarcadores. La existencia de una relación dosis-respuesta entre la exposición y el
biomarcador es esencial para la idealidad del mismo. La identificación de factores
modificadores (paso 7) es necesario para el control de los mimos en los estudio
epidemiológicos, como se ha mencionado anteriormente la susceptibilidad genética puede ser
evaluada mediante biomarcadores de susceptibilidad. Exposiciones ocupacionales y factores de
estilo de vida pueden ser evaluados mediante cuestionario o por biomarcadores de exposición.
Finalmente el estudio epidemiológico transicional (paso 8) representa el último paso en la
metodología de validación comúnmente llamado “gold standard” y es frecuentemente difícil
de alcanzar, solo algunos han sido implementaos para unos pocos biomarcadores (79).
Aunque la Tabla 11 muestra una recopilación de los métodos más utilizados, otros estudios
(81) sugieren hacer una validación con base a las cualidades intrínsecas y las propiedades
relacionados con los procedimientos de muestreo y análisis. En relación a lo anterior las
cualidades intrínsecas comprenden: el tipo de biomarcador (exposición, efecto y
susceptibilidad), el tiempo de exposición reflejado por el biomarcador (reciente o crónica), la
sensibilidad (bajo porcentaje de factores erróneamente clasificados como no expuestos cuando
en realidad están expuestos), las variaciones intra- e inter-individuo, la concentración base del
biomarcador en la población, la existencia de la relación dosis-respuesta entre el biomarcador
y el conocimiento de factores que pueden confundir las repuestas.
Por otro lado las propiedades relacionadas con los procedimientos de muestreo y análisis
incluyen: restricción de muestreo (e.g. requerimientos de tiempo), invasiones, estabilidad del
biomarcador en el fluido corporal (posibilidad de almacenar la muestra antes del análisis),
peligro de contaminación durante el muestro y/o análisis, simplicidad del método, posibilidad
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de uso rutinario, limite de detección/cuantificación, velocidad del método y posibilidad de
estandarización. A continuación se muestra un ejemplo de las características de validación para
un biomarcador de exposición para PM, específicamente para PAH’s, el cual muestra las
relaciones asociadas a su capacidad de reflejar exposición en ambiente exterior. El
biomarcador utilizado es el 1-OHP.
Tabla 12. Criterios de validación para 1-OPH (81).
1-OHP
CUALIDADES INTRÍNSECAS
Tipo Exposición
Farmacinética Reciente (t1/2=20h)
Sensibilidad Baja
Especificidad Baja
Variación intra-individuo 40%
Variación inter-individuo 100%
Concentración base en la población 0.05μg/24h
Dosis-respuesta a la exposición Si
Factores de confusión Dieta, sitio de trabajo, fumador.
PROPIEDADES REALCIONADAS CON MUESTREO Y ANALISIS
Fluido corporal Orina
Limitación de muestreo No
Invasiones No
Estabilidad después de muestreo Estable(<-20ºC)
Contaminación No
Principio del método analítico HPLC-FD
Simplicidad del método No
Uso rutinario Si
Limite de detección 0.01 μg/24h
Limite de cuantificación 0.03 μg/24h
Repetitividad Buena
Reproductividad Buena
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Especificidad del método Buena
Velocidad del método Baja
Estandarización del método Si
7. PROBLEMÁTICA COLOMBIANA
Aunque la relación causa-efecto entre la presencia continua de contaminantes en la atmósfera
como el PM y el incremento en la tasa de mortalidad está todavía en discusión, la relación
entre PM y los efectos nocivos sobre el sistema respiratorio y cardiovascular, especialmente en
poblaciones susceptibles está claramente establecida por estudios epidemiológicos que indican
que la contaminación ambiental por PM es la mayor contribuyente en la incidencia de efectos
nocivos relacionados con síntomas respiratorios, alteración de la función pulmonar y
enfermedad pulmonar obstructiva crónica. Los efectos agudos debido a exposiciones severas
han sido evaluados en diversos estudios epidemiológicos en los cuales se han encontrado
incrementos en la morbilidad y disminución en la productividad, lo cual a su vez está
relacionado con el incremente de las enfermedades crónicas respiratorias. Otros estudios
epidemiológicos han determinado la contribución de actividad con el tiempo de exposición de
individuos en diferentes microambientes, teniendo en cuenta elementos asociados a la
exposición total de diferentes contaminantes y las interacciones entre estos.
El material particulado y algunos de sus componentes son asociados principalmente con
efectos en el sistema respiratorio; en Colombia se han realizado estudios de calidad de aire y
exposición en algunas ciudades principales (82) (83) (84), los cuales han evaluado la
concentración de PM en comparación con los estándares nacionales y de la OMS. La norma
estándar de concentración media anual para PM es de 55μg/m3, y aunque estudios en ciudades
medianas como Pamplona (85) no han encontrado sobrepasos a la norma; otros en ciudades
grandes como Bogotá y el área del Valle de Aburrá (Antioquia) han encontrado valores entre
25-210 μg/m3 (86) y 50 -140 μg/m3 (87) respectivamente, así como el estudio realizado en la
ciudad de Santa Marta donde se tiene una norma anula promedio geométrico de 100 μg/m3 y
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62
donde se obtuvieron mediciones de hasta 150 μg/m3 (88). De igual forma la norma estándar de
concentración para periodos de 24 h está establecida en 155 μg/m3, la cual también se ha
encontrado que es sobrepasada en sitios específicos de las ciudades colombianas (82) (87). Los
estudios mencionados anteriormente concluyen que aunque las ciudades evaluadas no
cuentan con un problemas significativo de contaminación del aire, el material particulado
debido a su constante excedencia a las normas estándares representa un problema para la
ciudad y sus habitantes, razón por cual el PM ha sido identificado como contaminante
problema en ciudades colombianas como Bogotá y algunos estudios han sido realizados con el
objeto de relacionar el PM con problemas de salud pública y ocupacional.
Uno de los estudios más importantes evaluó la relación entre la concentración atmosférica de
PM10 y la presencia de síntomas de enfermedades respiratorias en un grupo de escolares de
dos localidades de Bogotá, durante un período de tres meses. Los resultados encontraron que
un incremento de 10 μg/m3 en PM10 estaba asociado con un incremento del 8% en las visitas
hospitalarias debido a enfermedad respiratoria aguda (ERA) (89). Posterior a estos hallazgos se
realizó un estudio especifico para 2 lugares de Bogotá, el estudio de tipo microbiológico evaluó
el PM como factor de riesgo sobre la salud, este identifico dentro del PM posibles patógenos
oportunistas que viajan en la corriente de aire, los cuales aprovechando los efectos de
irritación y laceración de los epitelios causados por las partículas, sumados a la colmatación de
la red de cilios que protegen el sistema respiratorio, brindan condiciones óptimas para la
ocurrencia de I.R.A23 (90).
Otros estudios que relacionan contaminación y salud han sido realizados en Cali y municipios
cercanos (Yumbo y Jamundí), en los cuales se ha encontrado un impacto de la contaminación
atmosférica en las enfermedades respiratorias. El estudio de metales como: Fe, Cu, Zn, Pb, As y
Hg, y su incidencia en la salud en la ciudad de Cali demostró que un 10% de la población
expuesta exhibió niveles significativos de plomo en sangre (91). De igual manera otros estudios
encontraron impacto de la contaminación atmosférica en las enfermedades respiratorias (92)
(93). Respecto al PM en la ciudad de Cali se realizó una estimación preliminar del costo
23 Infección Respiratoria Aguda (IRA).
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63
marginal de la contaminación atmosférica por material particulado en términos de morbilidad
respiratoria, los estimativos obtenidos implican una elasticidad de 0.7, es decir que un
incremento del 10% en la contaminación por PM aumenta los casos de enfermedades
respiratorias en 7% (94).
Otros estudios realizados en el área metropolitana del Valle del Aburrá y del oriente del
departamento de Antioquia, encontraron que los individuos más expuestos a contaminantes
ambientales, incluido el PM, manifestaron sufrir con más frecuencia ardor en los ojos,
congestión nasal, dificultad respiratoria, garganta irritada, tos, estornudos y dolor de cabeza
que los menos expuestos; adicionalmente se evidenció un exceso de riesgo del 68% de sufrir
afecciones obstructivas pulmonares entre los expuestos frente a los no expuestos,
encontrándose una percepción de los efectos negativos en los individuos más expuestos, en
comparación con la percepción de los individuos menos expuestos a contaminantes
ambientales, lo que complementa los hallazgos de alcance orgánico y neurosicológico que
permiten evidenciar un mayor riesgo para los individuos expuestos a altos niveles de
contaminación (95).
Los estudios de salud pública y PM enunciados anteriormente han sido realizados
principalmente a partir de correlaciones estadísticas de monitoreos de PM en aire ambiente e
índices de morbilidad y sintomatología de enfermedades respiratorias. Actualmente el
desarrollo de estudios de biomonitoreo directo sobre poblaciones o individuos específicos para
PM son limitados, sin embargo en la revisión de estudios se encontraron dos investigaciones
relevantes de tipo ocupacional que están relacionadas con exposición a PM en aire ambiente.
Los estudios titulados: “Exposición laboral a contaminación atmosférica: material particulado y
efectos respiratorios agudos en la salud de policías de tránsito de Bogotá” (96) y “Identificación
y cuantificación de 3-hidroxibenzo[a]pireno y 1-hidroxipireno como biomarcadores de
exposición a hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs) en población de policías de tránsito
de Bogotá expuestos ambientalmente” (97), fueron realizados en el año 2007. Estos estudios
tuvieron como objetivo investigar la frecuencia de síntomas y alteraciones pulmonares y
encontrar la cantidad de PM al que se encuentran expuestos ambientalmente los policías de
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tránsito de Bogotá. Se realizaron mediciones individuales a exposiciones de PM10,
cuestionarios de sintomatología, valoraciones medico toxicológica y pruebas de función
pulmonar, para dos grupos de individuos. Durante los estudios se encontró mayor prevalencia
de síntomas de irritación ocular y de las vías respiratorias en los policías de tránsito, así como
un mayor riego de hiperactividad bronquial y mayor prevalencia de alteraciones respiratorias.
También se encontró que la concentración de PM10 en algunos grupos supero el valor de la
norma de exposición en 24 h.
Como se observó en la revisión de trabajos en Colombia, son pocas las investigaciones de
biomonitoreo que han sido realizadas. La identificación del PM con un contaminante problema
en la mayoría de las ciudades analizadas, principalmente zonas especificas de Bogotá, puede
dirigir investigaciones de biomonitoreo que relacionen de manera más precisa las correlaciones
entre PM y salud pública encontradas hasta el momento.
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8. CONCLUSIONES
Evidencias científicas del PM y sus componentes han establecido en múltiples estudios que
estos compuestos inducen toxicidad, mutagenicidad, daño genético, daño oxidativo e
inflamatorio, entre otros. Considerando a éste como un problema tanto de salud pública como
ocupacional, con énfasis en poblaciones susceptibles.
La caracterización fisicoquímica y las dinámicas farmacocinéticas del PM y de sus componentes
permiten determinar de forma más precisa los análisis de selección del biomarcador y
validación, así como la selección de los procedimientos de recolección y análisis de muestras.
La selección y validación de biomarcadores son procesos relevantes dentro del diseño de los
estudios epidemiológicos con biomarcadores. La correcta selección del biomarcador y su
respectiva validación, permitirá obtener resultados e interpretaciones acertadas de los análisis
a la exposición de un xenobiótico.
El biomonitoreo de PM es una herramienta útil para relacionar los parámetros biológicos de
exposición de manera directa con los efectos adversos en la salud. Sin embargo, para obtener
una descripción global y completa de la cadena exposición-enfermedad es importante integrar
tanto el biomonitoreo por medio de biomarcadores como el método de mediciones de PM en
aire ambiente, con el fin de asegurar niveles de exposición que permitan prevenir efectos
nocivos sobre la salud humana.
En Colombia los estudios realizados han encontrado concentraciones de PM significativamente
superiores a los límites permitidos por la OMS, identificándolo como un contaminante
problema en las principales ciudades. Teniendo en cuenta estas investigaciones y los resultados
para ciudades como Bogotá, donde se cuenta con mediciones en aire ambiente y correlaciones
entre PM y sintomatología respiratoria, es importante llevar a cabo estudios epidemiológicos
con biomarcadores, los cuales permitan evaluar de forma más precisa la relación exposición-
efecto en las poblaciones sensibles inidentificadas.
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