TOXICOLOGIE ORGANICĂ Sem. II 2015 – 2016

Lector dr. Adriana Urdă

Partea a 10-a. Efecte ale compușilor organici xenobiotici la nivelul

organismelor vii. Evaluarea potențialului carcinogen al compușilor

organici, efecte mutagene, efecte teratogene.

Efectele compușilor xenobiotici pot fi:

- locale: efecte produse la locul de contact între compusul xenobiotic și corp. Aceste

efecte locale pot fi, la rândul lor acute (cu efect foarte rapid, produs în urma contactului cu

doze mari ale compusului xenobiotic) sau cronice (efecte care apar după perioade mai mari de

timp, în urma contactului repetat cu doze mici ale compusului);

- sistemice: efecte asupra întregului organism, în urma pătrunderii compusului în corp

și a transportului lui către organe. Și aceste efecte pot fi acute sau cronice;

- cancerigene: compusul toxic determină apariția unor tumori (benigne sau maligne)

în organism;

- mutagene: compusul toxic determină degradarea materialului genetic (ADN) și

apariția mutațiilor genetice. Deoarece multe mutații genetice pot provoca declanșarea bolii

canceroase, compușii mutageni pot fi considerați și cancerigeni;

- teratogene: efecte de dezvoltare anormală a embrionului și fătului, dar care pot fi

extinse și la dezvoltarea anormală după naștere, datorită acțiunii unor factori xenobiotici în

timpul perioadei de sarcină.

Efectul cancerigen produs de compuși chimici

S-a estimat ca numărul compușilor chimici care sunt eliberați continuu în mediu se

ridică la peste 100000, într-o cantitate care depășește anual 300 milioane de tone.

Istoric. În a doua jumătate a secolului al XIX-lea (aprox. 1875) a fost observată o

incidență ridicată a cancerului de piele la unii hornari germani care erau expuși la gudronul de

cărbune, principalul constituent al funinginii de pe hornurile pe care le curățau.

Compuși obținuți din acest gudron au fost utilizați în aceeași perioadă în industria

vopselurilor. Amine aromatice, cum sunt 2-naftilamina și benzidina, au fost descoperite și

apoi sintetizate și utilizate pentru obținerea unor pigmenți. În 1895 a fost raportată creșterea

incidenței cancerului de vezică urinară la muncitorii din industria vopselurilor pe bază de

anilină, iar studiile au arătat că agenții chimici care provocau boala erau mai multe amine

aromatice.

Se poate aprecia, astfel, că primele experimente în care a fost studiat efectul

cancerigen au fost realizate pe oameni.

Definiții. Termenul cancer descrie o serie de leziuni produse de boala numită

neoplazie. Neoplazia, sau leziunea care o constituie, neoplasmul, este definită ca o creștere

relativ autonomă a unui țesut, care se poate transmite genetic. Neoplasmul poate să apară și

ca răspuns la stimuli din mediul ambiant.

Neoplasmele pot fi benigne sau maligne. Deosebirea esențială dintre aceste două clase

este legată de caracteristica de creștere metastatică a neoplasmelor maligne, dar nu a celor

benigne. Metastazele sunt creșteri secundare ale celulelor din neoplasmul primar. Cancerele

sunt neoplasme maligne, în timp ce termenul tumori descrie leziunile care pot fi (sau nu)

neoplazice.

2

În general, un compus cancerigen (carcinogen) este acela care produce sau induce

neoplazia.

În 1915, doi patologi japonezi au descris apariția tumorilor de piele la animale în urma

aplicării de gudron de cărbune pe piele. Ei au aplicat gudronul pe urechile unor iepuri timp de

mai multe luni, observând apariția de neoplasme epidermice atât benigne cât și maligne. S-au

făcut eforturi pentru a determina natura compușilor din gudron care produce neoplaziile

maligne, iar în 1932 s-a anunțat obținerea de gudroane carcinogene prin piroliza

hidrocarburilor.

La începutul anilor 1930, au fost izolate din gudronul de cărbune mai multe

hidrocarburi aromatice policiclice, cum sunt dibenzo(a,h)antracenul (care s-a dovedit a fi un

carcinogen puternic pentru pielea șoarecilor) sau benzo(a)pirenul:

Dibenzo(a,h)antracen

Dibenzo(a,c)antracen

Benzo(a)piren

Potențialul carcinogen variază pentru hidrocarburile aromatice policiclice în funcție de

structură. De ex., dibenzo(a,c)antracenul are o activitate carcinogenă foarte scăzută, în timp ce

izomerul a,h este un carcinogen puternic.

În 1935 s-a deschis un alt domeniu de studiu al carcinogenezei chimice prin

demonstrarea faptului că ingerarea unui colorant azo (o-aminoazotoluen) producea neoplasme

hepatice la șoareci. Spre deosebire de hidrocarburile aromatice policiclice, coloranții azo nu

acționează la centrul primului contact cu organismul, ci la un centru îndepărtat, ficatul.

o-Aminoazotoluen

Un alt agent hepatocarcinogen este aflatoxina B1. Această substanță toxică este

produsă de mai multe tipuri de mucegai Aspergillus flavus. Aflatoxina B1 este unul dintre cei

mai puternici agenți hepatocarcinogeni cunoscuți și produce neoplasme la rozătoare, pești,

păsări și primate. Este un contaminant al multor produse agricole (de ex. cereale și arahide) în

cazul în care sunt depozitate în condiții de temperatură și umiditate ridicate. Aflatoxina B1 și

compușii înrudiți pot produce hepatită toxică și neoplazii hepatice.

Aflatoxina B1

Doza compusului carcinogen este foarte importantă în relație cu efectele produse.

Doza totală administrată, viteza de administrare și alți factori din organismul supus

administrării joacă fiecare un rol important în răspunsul carcinogen obținut.

3

Cele mai comune amestecuri în mediul ambiant sunt cele din fumul de țigară și din alți

produși de combustie, inclusiv din poluarea aerului și de la motoarele auto. Interacțiunile

dintre componentele amestecului pot fi aditive, sinergice sau inhibitorii.

Unul din cele mai importante amestecuri chimice asociate cu neoplaziile umane este

dieta. Există numeroase dovezi că unele componente ale dietei – incluzând excesul caloric,

ingerarea excesivă de alcool, diferiți contaminanți chimici ai dietei ca aflatoxina B1 – sunt

cancerigene. În plus, contaminanții alimentari – fie adăugați, sau care apar ca rezultat al

procesului de gătire – pot funcționa ca agenți carcinogeni în dietă. Inducerea carcinogenezei

prin dietă este un efect extrem de complex al amestecurilor unor diferiți compuși chimici.

Mecanismul carcinogenezei chimice

În 1951 s-a demonstrat legarea covalentă a benzo(a)pirenului sau a unor metaboliți ai

acestuia de proteinele din pielea unor șoareci, după tratarea cu această hidrocarbură. Astfel, s-

a demonstrat că o etapă esențială în inducerea cancerului de către compușii chimici este

interacțiunea covalentă cu macromoleculele din corp. Atunci când compusul inițial nu este

capabil să se lege covalent direct de macromolecule, interacțiunea poate să apară după

modificarea metabolică a compusului inițial (activarea compusului xenobiotic, și nu

detoxifierea lui).

În continuare sunt prezentate mai multe reacții metabolice implicate în activarea

compușilor chimici la carcinogenii finali. Carcinogenii chimici sunt (sau pot fi transformați

în) reactanți electrofili (compuși chimici cu centri deficienți în electroni). Acești reactanți

electrofili pot forma interacții cu macromoleculele celulare.

Carcinogenii chimici care necesită metabolizare pentru a avea efect carcinogen sunt

denumiți pro-carcinogeni, în timp ce metaboliții lor foarte reactivi (care se leagă de ADN, de

ex.) sunt denumiți carcinogeni finali.

- epoxidarea aflatoxinei B1:

Aflatoxina B1 (pro-carcinogen) epoxid (carcinogen final)

- N-hidroxilarea benzidinei:

Benzidină (pro-carcinogen) N-hidroxidiacetilbenzidină Ion nitreniu (carcinogen final)

- epoxidarea benzo(a)pirenului:

Benzo(a)piren (pro-carcinogen) Epoxid Diol epoxid (carcinogen final)

4

Forma finală a carcinogenului, cea care interacționează direct cu constituenții celulari

și, probabil, produce neoplasmul, este produsul final prezentat pentru reacțiile de mai sus. În

unele cazuri structura formei finale nu este cunoscută, în timp ce în alte cazuri pot exista mai

mulți metaboliți carcinogeni.

În urma reacțiilor de metabolizare ce se desfășoară în corp, compușii xenobiotici pot fi

detoxifiați sau activați. De ex., în afară de reacția de activare prezentată mai sus,

benzo(a)pirenul poate fi detoxifiat prin conjugare cu glutation sau cu UDP-acid glucuronic:

Epoxid (metabolit al

benzo(a)pirenului)

Conjugare cu glutation

Diol

Conjugare cu UDP-acid glucuronic

În timp ce conjugarea cu glutation de obicei dezactivează carcinogenii chimici și

permite excreția urinară rapidă a compusului conjugat, datorită solubilității lui ridicate în apă,

există și excepții. Compușii alifatici halogenați reacționează cu glutationul pentru conjugare,

dar unii metaboliți sunt carcinogeni care pot induce neoplazii ale mai multor organe, rinichii

find de obicei organul țintă. Un exemplu este bioactivarea etilendibromurii cu glutation.

Intermediarul conjugat formează spontan un ion sulfoniu, care este forma carcinogenică

finală, care reacționează cu ADN-ul.

Etilen dibromură (pro-carcinogen) Ion sulfoniu (carcinogen final)

În timp ce reacțiile din fazele I și II catalizează obținerea formelor finale ale

carcinogenilor, există dovezi numeroase privind rolul reacțiilor prin radicali liberi în obținerea

formelor finale ale carcinogenilor. Radicalii liberi sunt elemente chimice sau compuși ai

acestora, care pot avea sarcină negativă, pozitivă sau pot fi fără sarcină, dar care posedă un

electron neîmperecheat. În sistemele vii, principala sursă de radicali liberi este reducerea

oxigenului molecular pe mai multe căi metabolice, inclusiv cu ajutorul citocromului P450.

Mai multe din aceste forme de oxigen activ sunt generate în timpul procesului de inflamare.

Cei mai mulți radicali liberi formați în sistemele vii sunt extrem de reactivi. Deși apa

oxigenată nu este un radical liber, ea devine o sursă de astfel de radicali prin interacția cu

metalele tranziționale, în special fier, conducând la formarea de radicali liberi hidroxil, HO•,

extrem de reactivi.

5

Oxigen Ion radical superoxid Ion radical peroxid

Apă oxigenată Radical hidroxil Ion hidroxil

Carcinogenii chimici – inclusiv nitrozaminele, compușii nitro – pot avea forme finale

care sunt radicali liberi. Formarea radicalilor liberi joacă un rol important în efectele

carcinogene ale radiațiilor ionizante.

Pe lângă activarea carcinogenilor chimici, radicalii liberi (de ex. HO•) pot reacționa

direct cu ADN-ul pentru a produce modificări ale structurii acestuia.

Efecte mutagene

Au fost observate mutații induse de carcinogeni în anumite gene asociate cu neoplazia.

Inducerea mutațiilor se datorează în primul rând modificărilor chimice sau fizice în structura

ADN, care conduc la replicarea inexactă pentru acea regiune a genomului. Procesul de

mutageneză constă în modificarea structurii ADN și proliferarea (înmulțirea) celulelor care

conțin ADN-ul modificat.

Compușii electrofili pot interacționa cu atomii de azot din heterocicli, grupele amino și

atomii de oxigen de la grupele carbonil prezente în bazele azotate ale ADN, dar și cu structura

de fosfodiester a ADN-ului. Reacția electrofililor cu ADN-ul conduce la produși de alchilare,

care modifică natura fizică și chimică a ADN-ului. Pot apărea distorsionări ale structurii de

elice dublă atunci când compușii electrofili sunt voluminoși (ca în figura de mai jos pentru

cazul benzo(a)pirenului), iar în cazul compușilor cu dimensiuni mai mici legătura se

realizează în exteriorul elicei, fără să o distorsioneze. Modificări ale structurii chimice a

ADN-ului apar în toate cazurile în care se formează produșii de alchilare.

Poziția unui aduct în ADN și proprietățile sale chimice sau fizice în acest context

dictează tipurile de mutații induse. Aceasta indică faptul că aducți diferiți pot induce mutații

diferite, și că orice aduct poate conduce la modificări ale ADN-ului.

6

Aduct covalent între benzo(a)piren și ADN

Efecte teratogene

Efectele teratogene includ malformații structurale, întârzierea creșterii, deteriorări

funcționale și/sau decesul organismului. Cuvântul teratogen provine de la cel grec teras,

monstru.

S-a estimat că au fost testate pentru efecte teratogene peste 4000 de compuși chimici,

dintre care două treimi nu au prezentat astfel de efecte, 7% s-au dovedit teratogene pentru cel

puțin o specie, 18% pentru majoritatea speciilor, iar 9% au avut efecte neconcludente.

În 1960, o creștere foarte mare a numărului de cazuri de nou-născuți cu malformații

rare a fost înregistrată în Germania federală. Indivizilor afectați le lipseau unele membre (mai

des brațele decât picioarele, de obicei atât în partea stângă cât și în cea dreaptă), aveau

probleme congenitale de inimă, oculare, intestinale, renale, etc. Lipsa membrelor a fost, însă,

defectul caracteristic. Anomaliile de acest tip sunt extrem de rare: de ex., la clinica

Universității din Hamburg nu fusese raportat nici un caz între 1940 și 1959. În 1959 a fost un

caz, în 1960 au apărut 30 de cazuri, iar în 1961, 154 cazuri. Natura neobișnuită a defectului a

fost cea care a condus la descoperirea cauzei: un medicament sedativ, thalidomida, utilizat

pentru tratarea insomniei, dar și pentru calmarea grețurilor în timpul sarcinii. Nu avea

toxicitate aparentă sau proprități adictive la om sau la animalele de laborator, și a fost prescris

pe scară largă. După ce s-a dovedit a fi cauza defectelor la nou-născuți, medicamentul a fost

retras de pe piață în noiembrie 1961, iar rapoarte privind defectele de acest tip au încetat la

jumătatea lui 1962. În total, aproape 6000 de copii s-au născut cu astfel de malformații în

întreaga lume. Estimările privind riscul de malformații s-au aflat între 10 și 50%. Studiile

ulterioare au demonstrat același tip de defecte la șobolani, unele specii de iepuri și mai multe

primate, dar nu și la hamsteri și șoareci (ceea ce dovedește că nu pot fi întotdeauna extrapolate

studiile de la animale la om). Sensibilitatea la om este la doze de aprox. 1 mg/kg.

Între compușii care au mai fost dovediți ca având efecte teratogene se află

dietilsilbestrolul (hormon sintetic), etanolul, fumul de țigară (inclusiv fumatul pasiv) și

cocaina.

Bibliografie

Casarett and Doullʼs Toxicology: the basic science of poisons, (ed. C. D. Klaassen),

McGraw-Hill, 2001, cap. 29 – Ecotoxicology.