MÓDULO III Fundamentos de Toxicologia. Introdução. Curso de Toxicologia ANVISA - RENACIAT - OPAS NUTES/UFRJ - ABRACIT

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1 MÓDULO III Fundamentos de Toxicologia Autores Conceição Aparecida Turini (CCI - Londrina) Tutor Sayonara Maria Lia Fook (CEATOX - Campina Grande) Introdução A intoxicação humana abrange uma ampla variedade de processos fisiopatológicos relacionados com a interação entre um agente de natureza química ou biológica e o organismo. A condição primária para que a intoxicação aconteça consiste na exposição ao agente tóxico o qual, deverá alcançar o sítio-alvo, após vencer as barreiras impostas pelo organismo. Portanto, a expressão da toxicidade de uma substância sobre um sistema biológico dependerá de inúmeros fatores que incluem as propriedades físicoquímicas do agente tóxico, as condições de exposição e, fundamentalmente, de uma série de eventos que ocorrem dentro do organismo, ou seja, de seu comportamento toxicocinético e toxicodinâmico. Este módulo tem por objetivo fornecer elementos teóricos para a compreensão da intoxicação como fenômeno biológico. Para isso, serão abordados os processos que se sucedem desde que o agente tóxico penetra no organismo, a partir da superfície de contato com o meio externo, até alcançar o sítio de ação, com discussão das variáveis que afetam a introdução e o transporte do toxicante, as modificações causadas no seu metabolismo e os mecanismos através dos quais ele exerce sua ação tóxica. Ao mesmo tempo, o enfoque clássico dos tópicos fundamentais de Toxicologia, adotado nesta apresentação, propiciará a normalização de termos e conceitos básicos empregados em Toxicologia. 1

2 Áreas e conceitos básicos A Toxicologia é a ciência que tem como objeto de estudo o efeito nocivo decorrente da interação entre um agente tóxico e um sistema biológico, com a finalidade principal de prevenir o aparecimento desse efeito, ou seja, estabelecer condições seguras de exposição a essas substâncias e assim, permitir que o homem se beneficie das conquistas tecnológicas da era atual. A toxicologia apóia-se, então, em três elementos básicos: 1. a existência de uma substância (agente tóxico) capaz de interagir com um sistema biológico e produzir uma resposta; 2. o sistema biológico com o qual o agente tóxico interage para produzir o efeito; 3. a resposta (efeito) que deverá ser considerada nociva ao sistema biológico com o qual interage. Áreas da Toxicologia A toxicologia é uma ciência multidisciplinar que compreende um vasto campo de conhecimentos básicos e aplicados, relacionando-se estritamente com diversas outras ciências. É desenvolvida por especialistas com diferentes formações profissionais que oferecem contribuições específicas em uma ou mais áreas de atividade permitindo assim, o aperfeiçoamento dos conhecimentos e o desenvolvimento de cinco áreas de atuação, de acordo com a natureza do agente tóxico ou a maneira pela qual este alcança o sistema biológico. Toxicologia de Alimentos: área relacionada ao estudo da toxicidade das substâncias veiculadas pelos alimentos, ou seja, é a área da toxicologia que estabelece índices de segurança para que os alimentos, de origem natural ou industrial, possam ser ingeridos sem causar danos à saúde, tanto no que se refere à sua obtenção quanto ao seu armazenamento. Toxicologia Ambiental e Ecotoxicologia: essa área do conhecimento toxicológico preocupa-se com o estudo das ações e dos efeitos nocivos de substâncias químicas, quase sempre de origem antropogênica, sobre os organismos vivos. Em geral, empregam-se os termos Toxicologia Ambiental para os estudos dos efeitos diretos causados pela interação desses agentes contaminantes do ambiente (ar, água, solo) com o organismo humano e, Ecotoxicologia, para os estudos dos efeitos tóxicos desses compostos sobre os ecossistemas e seus componentes não humanos. Como o homem se encontra no topo de muitas cadeias alimentares e existem poucos ecossistemas nos quais os seres humanos não participam, essa distinção é, portanto, bastante frágil. Toxicologia de Medicamentos e Cosméticos: nessa área estudam-se os efeitos nocivos produzidos pela interação dos medicamentos e cosméticos com o organismo, decorrentes do uso inadequado ou da suscetibilidade individual. Toxicologia Ocupacional: é a área que se ocupa do estudo das ações e efeitos nocivos de substâncias usadas no ambiente de trabalho sobre o organismo do indivíduo exposto. Nessa área, busca-se, principalmente, a obtenção de conhecimentos que permitam estabelecer critérios seguros de exposição ocupacional. Toxicologia Social: embora no mundo contemporâneo a Toxicologia seja uma ciência de caráter social em sua natureza, o termo Toxicologia Social é designado para a área 2

3 que estuda os efeitos nocivos decorrentes do uso não médico de drogas ou fármacos, com prejuízos ao próprio usuário e à sociedade. Trata do estudo das chamadas drogas de abuso, lícitas ou não, cujo uso, sempre voluntário, visa modificar o estado de consciência ou evitar o desconforto ocasionado pela interrupção do uso da substância, mesmo que por um curto período de tempo. No âmbito de cada uma dessas áreas, podem ser abordadas questões relacionadas a aspectos analíticos, clínicos, médico-legais, regulatórios, entre outros. Como conseqüência da ampliação das áreas de aplicação da Toxicologia, imposta pela sua abrangência multidisciplinar e multiprofissional, essa ciência pode ser dividida, de acordo com os diferentes campos de trabalho, em três áreas ou ramos fundamentais. A Toxicologia Clínica ou Médica trata do atendimento do paciente exposto ao agente tóxico ou intoxicado, com a finalidade de prevenir, diagnosticar a intoxicação ou aplicar, se necessário, uma medida terapêutica específica. A Toxicologia Analítica ocupa-se da detecção do agente tóxico ou de algum parâmetro bioquímico relacionado com a exposição a ele em fluidos biológicos, alimentos, ar, água e solo, com o propósito de diagnosticar ou prevenir as intoxicações. No exercício dessa modalidade, é de fundamental importância o domínio de química analítica e de instrumentação, pois ela busca métodos com precisão, exatidão e sensibilidade adequadas para a identificação e/ou quantificação inequívocas do toxicante ou para a avaliação de alterações bioquímicas funcionais do organismo. As análises toxicológicas são empregadas com as mais variadas finalidades: no aspecto forense ou médicolegal, na monitorização terapêutica ou acompanhamento do paciente submetido a tratamento prolongado com medicamentos, na monitorização biológica da exposição ocupacional às substâncias químicas, no controle antidopagem em competições esportivas, no diagnóstico da intoxicação aguda ou crônica em emergências médicas, entre outras. E, por fim, a Toxicologia Experimental, que desenvolve estudos para elucidar os mecanismos de ação dos toxicantes sobre os sistemas biológicos e avaliar os efeitos decorrentes dessa ação. A avaliação de toxicidade das substâncias é feita através de estudos conduzidos em diferentes espécies animais, seguindo rigorosas normas preconizadas pelos órgãos reguladores nacionais e internacionais. Conceitos Básicos Considerando-se o caráter multidisciplinar e o fato de que muitas pessoas com diferentes formações acadêmicas se interessam em estudar e trabalhar com Toxicologia, torna-se necessária a observação do uso apropriado de termos empregados em toxicologia e apresentados a seguir. Agente tóxico, toxicante ou xenobiótico É uma substância química ou agente físico capaz de causar dano a um sistema biológico, alterando seriamente uma função ou levando-o à morte, sob certas condições de exposição. A maioria das substâncias consideradas como agente tóxico são exógenas, sem papel fisiológico conhecido e denominadas xenobióticos. Outros termos que merecem ser mencionados são apresentados abaixo. 3

4 Toxina: refere se à substância tóxica produzida por um organismo vivo (microrganismo, animal ou planta). Existe um campo de estudo específico, denominado Toxinologia, que estuda os efeitos nocivos dessas substâncias. Veneno: termo de uso popular que, embora em princípio, possa ser utilizado como sinônimo de agente tóxico, é reservado especificamente para designar substâncias de origem animal ou vegetal, utilizadas para autodefesa ou predação, como o caso dos venenos ofídicos, de abelhas, entre outros. Fármaco: toda substância de estrutura química definida, capaz de modificar ou explorar o sistema fisiológico ou estado patológico, em benefício do organismo receptor. Droga: toda substância capaz de modificar ou explorar o sistema fisiológico ou estado patológico, utilizada com ou sem intenção de benefício do organismo receptor. A palavra droga, tem aceitação popular para designar fármacos, medicamentos, matéria prima de medicamentos, alucinógenos e agentes tóxicos. Qualquer substância pode atuar como toxicante. Tanto os produtos exógenos como os próprios constituintes do organismo, quando se encontram em proporções excessivas, podem produzir efeitos nocivos. Os agentes tóxicos apresentam estruturas químicas variadas e podem ser classificados utilizando-se diferentes critérios, conforme a finalidade de seu estudo. Assim, o toxicante pode ser classificado segudo: 1. estruturas químicas gerais: aminas aromáticas, hidrocarbonetos alifáticos, hidrocarbonetos aromáticos, metais, etc. 2. estado físico: sólidos ou líquidos; 3. gases: são fluídos sem forma que permanecem no estado gasoso em condições normais de pressão e temperatura. Ex.: CO, NO e NO2, O3, etc. 4. vapores: são as formas gasosas de substâncias normalmente sólidas ou líquidas nas condições ambientais. Ex: vapores resultantes da volatilização de solventes orgânicos como benzeno, tolueno, xileno, entre outros; 5. partículas ou aerodispersóides: partículas de tamanho microscópico, em estado sólido ou líquido. Ex: poeiras e fumos; neblinas e névoas. 6. estabilidade ou reatividade química: explosivo, inflamável, oxidante, radioativo. 7. órgãos-alvo: rim, fígado, sistema nervoso central, sistema hematopoiético, outros. 8. ação tóxica: local ou sistêmica. 9. efeitos tóxicos: carcinogênicos, mutagênicos, neurotóxicos, nefrotóxicos, hepatotóxicos,. 10. usos: agrotóxicos, solventes, aditivos alimentares. 11. mecanismo de toxicidade: anticolinesterásico, metemoglobinizante, entre outros. 12. potencial de toxicidade: extremamente tóxicos, moderadamente tóxicos, levemente tóxicos, pouco tóxicos. Toxicidade É a capacidade inerente a uma substância de produzir danos aos organismos vivos, ou seja, é a medida relativa do potencial tóxico da substância sob certas condições controladas de exposição. Uma substância muito tóxica causará dano a um organismo se for administrada em quantidades muito pequenas, enquanto uma substância de baixa toxicidade somente produzirá efeito quando a quantidade administrada for muito grande. O conhecimento da toxicidade das substâncias químicas se obtém através de experimentos em laboratório utilizando animais. Os métodos são empregados com todo rigor científico com a finalidade de fornecer informações relativas aos efeitos 4

5 tóxicos e, principalmente, para avaliar riscos que possam ser extrapolados para o homem. Risco e segurança O termo risco traduz a probabilidade estatística de que se produzam efeitos adversos ou danos por exposição a um agente tóxico, em virtude das propriedades inerentes ao mesmo, bem como das condições de exposição. Nem sempre a substância de maior toxicidade é a que oferece maior risco para o homem. Dependendo das condições de uso ou exposição, uma substância classificada como muito tóxica (elevada toxicidade intrínseca) pode ser menos apresentar menor risco do que uma pouco tóxica. Por exemplo, embora o tolueno seja um solvente carcinogênico, não oferece risco se estiver adequadamente armazenado. A existência de risco associado ao uso de uma substância química, torna necessário o estabelecimento de condições de segurança. Portanto, define-se como segurança, a certeza de que não haverá efeitos adversos para um indivíduo exposto a uma determinada substância, em quantidade e forma recomendada de uso. Ou seja, quando se fala em risco e segurança, significa a possibilidade ou não da ocorrência de uma situação adversa. No entanto, não é fácil estabelecer o que é um risco aceitável no uso de substância química. Esta decisão é bastante complexa e envolve o binômio risco-benefício. Na utilização das substâncias químicas para diversos fins, alguns fatores devem ser considerados na determinação de um risco aceitável: a necessidade do uso da substância; a disponibilidade e a adequação de outras substâncias alternativas para o uso correspondente; os efeitos sobre a qualidade do ambiente e conservação dos recursos naturais; as considerações sobre o trabalho (no caso de ser usada em ambiente de trabalho); a avaliação antecipada de seu uso público (ou seja, o que ela poderá causar sobre a população em geral) e considerações econômicas. Efeito tóxico, adverso ou deletério É uma alteração anormal, indesejável ou nociva decorrente da exposição a substâncias potencialmente tóxicas. Todo efeito tóxico é indesejável e nocivo, mas, nem todos os efeitos indesejáveis são tóxicos. A morte é o efeito adverso mais drástico que pode ocorrer. No caso de medicamentos, em particular, devem-se distinguir os efeitos colaterais e a toxicidade propriamente dita. Portanto, os efeitos colaterais de agentes terapêuticos são aqueles indesejáveis, mas, muitas vezes toleráveis, que aparecem durante a farmacoterapia, enquanto a toxicidade representa a manifestação de efeitos lesivos de maior gravidade, podendo levar até à morte. Alvo É o termo usado com freqüência para designar o sítio ou local do organismo que interage com o agente tóxico e apresenta a resposta biológica correspondente. Pode ser referido como uma molécula (DNA, proteína, etc.), um receptor ou um órgão (fígado, rim, cérebro, etc.). Destoxificação É o processo de transformação química que converte uma substância em formas mais facilmente excretáveis (menos tóxica), geralmente através de reações de biotransformação. Antídoto e antagonista 5

6 São substâncias capazes de neutralizar ou reduzir os efeitos de uma substância potencialmente tóxica. O antídoto é a substância que se opõe ao efeito tóxico atuando sobre o toxicante, enquanto o antagonista impede o toxicante de se ligar a seu alvo ou exerce ação oposta à do agente tóxico (agonista). Intoxicação É o conjunto de efeitos nocivos representados por manifestações clínicas (sinais e sintomas) ou laboratoriais que revelam o desequilíbrio orgânico produzido pela interação entre o agente tóxico com o sistema biológico. Por envenenamento, entendese o transtorno produzido por toxinas. 6

7 Fases da intoxicação A intoxicação humana compreende uma ampla variedade de processos fisiopatológicos resultantes da interação de um agente tóxico com o organismo. Porém, para que o efeito tóxico ou adverso sobre o sistema biológico seja produzido, é necessário que o toxicante ou seus produtos de biotransformação (metabólitos) alcancem sítios específicos (alvo) no organismo e permaneçam em contato com os mesmos por um período de tempo suficiente para produzir a ação tóxica. Dessa forma, a intoxicação inicia-se com a exposição do organismo ao agente tóxico que, após vencer as defesas do organismo, chega ao local de ação na forma ativa. Essas defesas consistem, fundamentalmente, em mecanismos que restringem a sua mobilidade e diminuem o período de exposição do tecido alvo, ou seja, o organismo atua impondo barreiras à distribuição do toxicante para determinados tecidos, diminuindo sua difusibilidade através das membranas celulares e/ou facilitando sua excreção. Os processos de transporte e as transformações que o agente tóxico sofre, desde a superfície epitelial de contato, até alcançar os órgãos nos quais se armazena ou causa lesões, são muito complexos. Por conveniência, para facilitar o estudo dos complexos eventos envolvidos desde a exposição do organismo ao agente tóxico até o aparecimento de manifestações clínicas e/ou laboratoriais, a intoxicação pode ser desdobrada em quatro fases: Fase I Exposição: corresponde ao contato do agente tóxico com o organismo. Representa a disponibilidade química das substâncias e passíveis de serem introduzidas no organismo. Fase II Toxicocinética: consiste no movimento do agente tóxico dentro do organismo. É composta pelos processos de absorção, distribuição, biotransformação e excreção. Todos esses processos envolvem reações mútuas entre o agente tóxico e o organismo, conduzindo à disponibilidade biológica (biodisponibilidade). Fase III Toxicodinâmica: corresponde à ação do agente tóxico no organismo. Atingindo o alvo, o toxicante ou o seu produto de biotransformação interage biologicamente causando alterações morfológicas e/ou funcionais, produzindo danos. Fase IV Clínica: é caracterizada pelas manifestações clínicas e/ou laboratoriais resultantes da ação tóxica. 7

8 Fase I Exposição Esta fase é representada pelo período em que o ser humano fica exposto à substância tóxica. É o contato do toxicante com as superfícies externas ou internas do organismo. Nessa etapa, é de suma importância a disponibilidade química do agente tóxico, ou seja, a concentração da substância em condições de ser introduzida no organismo. Além da magnitude, deve-se considerar também, a duração e a freqüência da exposição, as vias de introdução e a suscetibilidade individual. Dose ou concentração A dose ou concentração determina o tipo e a magnitude da resposta biológica. Por definição, dose é a quantidade de um agente administrado para um indivíduo e, geralmente, é expressa usando-se unidades de massa por massa (ex, mg de agente tóxico / kg de peso corpóreo). O termo concentração aplica-se à exposição do indivíduo a uma determinada concentração de um agente presente em um compartimento (ex, solo, água, ar). Neste caso, não se sabe exatamente quanto do agente efetivamente penetrou no organismo. A concentração é expressa em unidades de massa por volume do meio (ex, mg de agente tóxico / m 3 de ar; mg de agente tóxico / litro de água, mg de agente tóxico / m 3 de solo), mas, também pode ser por massa do meio (ex, mg de agente tóxico / g de solo). A concentração também é comumente expressa através das unidades ppm (partes por milhão) ou ppb (partes por bilhão). Para facilitar, será usado somente o termo dose no resto desse módulo, mas, não se esqueçam de que, se a exposição for ambiental, o termo correto é concentração. Com relação à dose deve-se distinguir: Dose efetiva 50 (DE 50 ) Trata-se da quantidade de substância (em mg, g ou ml por Kg de peso corporal) que, em condições bem determinadas, produz um determinado efeito na metade de um grupo de animais de certa espécie. Dose letal média (DL 50 ) É a dose calculada estatisticamente, em mg/kg, de um determinado agente químico ou físico, necessária para matar 50% dos organismos vivos de uma população de animais, sob um conjunto de condições definidas. Os agentes químicos podem ser classificados, segundo cinco classes de toxicidade, de acordo com os valores de DL 50. Tabela 1 - Classificação quanto ao grau de toxicidade Categoria de Toxicidade Extremamente tóxica Altamente tóxica Moderadamente tóxica Levemente tóxica Praticamente não tóxica DL 50 oral para ratos < ou = 1mg/kg > 1 a 50 mg/kg > 50 a 500 mg/kg > 0,5 a 5 g/kg > 5 g/kg Esta classificação é utilizada para consultas rápidas, qualitativas, com finalidade de obter informações relativas à toxicidade intrínseca das substâncias. A falha desta classificação está no fato dela se basear apenas na toxicidade intrínseca da substância 8

9 que é um parâmetro extremamente variável, sendo influenciado por uma série de fatores, relacionados principalmente ao agente químico, ao organismo e à exposição. Em situações práticas não se deve conhecer somente a toxicidade das substâncias, representadas geralmente pela DL 50, pois tão importante como conhecer a toxicidade dos agentes químicos, é conhecer e saber avaliar o risco tóxico de uma substância química. Concentração efetiva 50 (CE 50 ) e concentração letal 50 (CL 50 ) Quando se estuda a toxicidade de uma substância introduzida no organismo por inalação, considera-se sua concentração no ar e, portanto, fala-se em CE 50 e CL 50, devendo ser mencionada a duração da exposição do animal ao agente tóxico. Vias ou locais de exposição As principais vias de introdução dos toxicantes no organismo humano compreendem o trato gastrintestinal (ingestão), os pulmões (inalação) e a pele (cutânea). As vias parenterais (intramuscular e intravenosa) constituem meios normais de introdução de medicamentos que, dependendo da dose e das condições fisiológicas ou patológicas do indivíduo, podem produzir efeitos adversos acentuados, com lesões graves em diversos órgãos. A via de introdução pode influenciar na toxicidade da substância química. Por exemplo, espera-se que um agente que é destoxificado pelo fígado seja menos tóxico quando introduzido no organismo por via oral (passagem pela circulação porta) do que por inalação (circulação sistêmica). A comparação da dose letal de um toxicante por diferentes vias de exposição também fornece informações úteis relacionadas à sua absorção. Nos casos em que as doses letais por via oral e dérmica são similares àquela administrada por via intravenosa, pressupõe-se que o agente é pronta e rapidamente absorvido por essas vias. Por outro lado, quando a dose letal dérmica é muito maior que a dose letal oral, significa que a pele constitui uma barreira efetiva à absorção do agente tóxico. As substâncias químicas penetram no organismo humano, a partir das vias de exposição, em velocidades diferentes dependendo de suas propriedades físico-químicas e das condições existentes na superfície de contato como, por exemplo, a área e permeabilidade da membrana e o fluxo sangüíneo no local de contato. Assim, a intensidade do efeito tóxico e a rapidez da resposta em função da via de exposição apresentam-se na seguinte ordem decrescente de eficiência: endovenosa, respiratória, intraperitoneal, subcutânea, intramuscular, intradérmica, oral e cutânea. Essas vias possuem maior ou menor destaque, de acordo com a área da Toxicologia em estudo. Assim, as vias pulmonar e cutânea são as mais importantes na Toxicologia Ocupacional e Ambiental e a via gastrintestinal em Toxicologia de Alimentos e de Medicamentos e, também, nas intoxicações intencionais (suicídios e homicídios). As vias parenterais têm importância na Toxicologia Social e de Medicamentos. Duração e freqüência da exposição O tempo e a freqüência com que o organismo permanece em contato com o toxicante são importantes na determinação e intensidade do efeito tóxico. Entretanto, em seres humanos, essas condições de exposição não são claramente definidas como nos 9

10 estudos conduzidos em animais. Porém, os mesmos termos são usados para descrevêlas: exposição a curto prazo (aguda) quando o contato é de curta duração e a absorção do toxicante é rápida. A dose administrada pode ser única ou múltipla num período de tempo não superior a 24 horas; exposição a médio prazo quando as exposições são freqüentes ou repetidas num período de um mês ou menos (sobreaguda) ou no período de um a três meses (subcrônica); exposição a longo prazo (crônica) quando as exposições se repetem durante um longo período de tempo (meses, anos ou toda a vida). Com relação à freqüência, observa-se que, uma simples exposição a um agente tóxico que produz um efeito drástico, pode determinar manifestações de menor intensidade ou não produzir efeitos se a mesma dose ou concentração total for fracionada e o tempo de exposição não for aumentado. É importante ressaltar que a redução do efeito provocado pelo aumento da freqüência (fracionamento da dose) somente acontecerá se: a velocidade de eliminação for maior do que a de absorção, de forma que os processos de biotransformação e/ou eliminação ocorram no intervalo entre duas exposições; o efeito tóxico causado pela substância for parcial ou totalmente revertido antes da exposição seguinte. Se não houver nenhumas dessas situações, o aumento da freqüência poderá resultar em efeitos crônicos. Para inúmeras substâncias, os efeitos tóxicos observados nas exposições agudas são diferentes daqueles produzidos por exposições repetidas. Por exemplo, a principal manifestação tóxica aguda do benzeno é a depressão do sistema nervoso central, enquanto exposições repetidas, podem resultar em toxicidade para a medula óssea com aumento do risco para o desenvolvimento de leucemia. Nas exposições agudas, as substâncias químicas são rapidamente absorvidas e os efeitos produzidos geralmente são imediatos. Entretanto, algumas vezes, nota-se a ocorrência de efeitos retardados, similares ou não aos efeitos produzidos nas exposições a longo prazo. Por outro lado, as exposições crônicas a um agente tóxico podem produzir efeitos imediatos (agudos) após cada administração, além dos efeitos produzidos a longo prazo (crônicos) em baixas concentrações do agente. Suscetibilidade individual A variabilidade da resposta biológica em função da suscetibilidade de cada indivíduo é um outro fator importante em Toxicologia. Existem situações em que exposições iguais determinam respostas iguais e outras, nas quais se observam respostas diferentes. Por exemplo, para dois trabalhadores que desempenham funções iguais durante 30 anos e, portanto, expostos no mesmo ambiente e nas mesmas condições, é possível que apenas um deles desenvolva uma enfermidade determinada pela exposição aos toxicantes presentes no ambiente de trabalho. Nenhuma pessoa é igual à outra e, portanto, as respostas tóxicas podem variar de um indivíduo para outro. 10

11 Como são observadas respostas diferentes entre indivíduos de uma mesma espécie, espera-se que ocorram diferenças importantes nas respostas entre indivíduos de espécies diferentes. Essas diferenças interindividuais e intraespecíficas devem-se a diferenças metabólicas que podem ser determinadas pelo estado fisiológico ou pela estrutura genética do organismo. Portanto, a suscetibilidade do organismo está mais diretamente interligada às fases II e III da intoxicação, ou seja, aos processos toxicocinéticos e toxicodinâmicos. 11

12 Fase II - Toxicocinética Nessa fase tem-se a ação do organismo sobre o agente tóxico, procurando diminuir ou impedir a ação nociva da substância sobre ele. É de grande importância, porque dela resulta a quantidade de toxicante disponível para interagir com o sítio alvo e, consequentemente, exercer a ação tóxica. A toxicocinética é constituída pelos seguintes passos: Absorção Distribuição Biotransformação Excreção A movimentação do agente tóxico no organismo, desde a sua entrada até a sua eliminação, envolve a transposição de membranas celulares. Assim, é de suma importância o conhecimento dos fatores que influenciam no transporte das substâncias químicas pelas membranas, os quais podem ser agrupados em duas classes distintas. Fatores relacionados com a membrana As membranas celulares têm espessura de 7 a 9 nm, em média e são constituídas por uma camada lipídica bimolecular, contendo em ambos os lados, moléculas de proteínas que penetram e às vezes transpõem esta camada. Os ácidos graxos presentes na camada lipídica não possuem uma estrutura cristalina rígida, ao contrário, em temperatura fisiológica eles têm características quase fluidas. Assim, o caráter fluido das membranas e, portanto, sua permeabilidade, é determinado, principalmente, pela estrutura e proporção relativa de ácidos graxos insaturados presentes na região. Este modelo denominado de mosaico fluido, foi proposto por Singer e Nicolson, em 1972, e continua sendo o mais aceito até hoje. Considerando-se as características das membranas celulares, as substâncias podem atravessá-las por diferentes mecanismos, apresentados a seguir. Transporte passivo Esse mecanismo é dividido em dois subtipos: 12

13 - Difusão simples - a maioria dos agentes tóxicos atravessa as membranas do organismo por difusão simples e o grau de penetração é determinado pelo coeficiente de partição lipídio/água, pelo gradiente de concentração na membrana e pelo pka. A proporção de um composto atravessar a membrana por difusão simples pode ser determinada pela lei de Fick, expressa pela seguinte equação: p = proporção do composto capaz de atravessar a membrana k = constante de difusão A = área disponível para a difusão d = espessura da membrana C 1 = concentração do composto no compartimento extracelular do sistema C 2 = concentração do composto no compartimento intracelular do sistema Desse modo, se os valores de A e d forem constantes, a capacidade de difusão da substância pode ser determinada pela expressão k (C 1 C 2 ). No início, o processo de difusão é bastante rápido porque a diferença entre C 1 C 2 é significativamente alta. Entretanto, com a efetivação do processo, há uma diminuição dos valores de C 1 e aumento conseqüente de C 2, com uma tendência de equilíbrio das concentrações nos dois compartimentos do sistema. O movimento unidirecional do composto através da membrana ocorre porque o valor de C 2 tende sempre a diminuir em função da sua distribuição, biotansformação e excreção, de tal forma que C 1 será sempre maior que C 2, até que o processo de difusão se complete. - Filtração - considerando-se o fluxo de água através dos poros da membrana, as substâncias polares de baixo peso molecular (até 600 daltons) passarão através dos poros aquosos. O processo de filtração é dependente, portanto, além da hidrossolubilidade da substância, do tamanho dos poros da membrana que são relativamente grandes nos glomérulos renais (cerca de 40 Å) e pequenos na maioria das células (8 Å). Transportes especializados Existem inúmeros compostos, cujo movimento através das membranas, não pode ser explicado por difusão simples nem por filtração. Alguns são muito grandes para passar através dos poros ou muito insolúveis em lipídios para se difundirem na membrana lipídica. Entretanto, essas substâncias são rapidamente transportadas através das membranas, mesmo contra gradientes de concentração. Para explicar esse fenômeno, foram propostos mecanismos de transportes especializados. Esses sistemas são responsáveis pelo transporte de muitos nutrientes como açúcares, aminoácidos e ácidos nucléicos e também de xenobióticos. São eles: transporte ativo - esse processo caracteriza-se pelo consumo de energia, movimento da substância contra gradiente de concentração e a existência de proteínas carregadoras de moléculas, as quais apresentam seletividade pelas substâncias e se saturam em altas concentrações. difusão facilitada - nesse processo, a substância também é transportada por um carregador, sem contudo, haver consumo de energia. Outra diferença com o 13

14 processo de transporte ativo é que na difusão facilitada a passagem acontece a favor de um gradiente de concentração. endocitose - é um mecanismo especial no qual a membrana celular, sofre um processo de invaginação, devido a variações na tensão superficial pela presença de macromoléculas no fluido extracelular, e engloba partículas líquidas (pinocitose) ou sólidas (fagocitose). Esse tipo de transferência tem se mostrado útil na remoção de material particulado dos alvéolos pelos fagócitos e do sangue pelo reticulo endoplasmático do fígado e rim. Fatores relacionados com a substância química A passagem dos toxicantes através das membranas celulares, de natureza lipoprotéica, será grandemente determinada por suas propriedades físico-químicas. Entre elas destacam-se: Solubilidade Devido à constituição lipoprotéica das membranas biológicas, as substâncias químicas lipossolúveis, ou seja, apolares, terão capacidade de transpô-las facilmente, pelo processo de difusão passiva. Já as substâncias hidrossolúveis não atravessam essas membranas, a não ser que tenham pequeno tamanho molecular e possam ser filtradas, através dos poros aquosos. A hidrossolubilidade é conferida à molécula por grupamentos que permitem a formação de pontes de hidrogênio com as moléculas de água em solução como, por exemplo, os grupos hidroxila (-OH), carboxila (-COOH), amino (-NH2); sulfidrila (-SH) e carbonila (-C=O). A lipossolubilidade é dada à molécula pela presença de grupos alquílicos, fenílicos, naftílicos, etc. Coeficiente de partição óleo/água É o parâmetro que permite avaliar o grau de lipossolubilidade das substâncias químicas, ou seja, é dado pela relação lipossolubilidade/hidrossolubilidade. Este coeficiente é obtido ao se agitar um agente químico em uma mistura de solvente orgânico e água (em condições de ph e temperatura controladas). As substâncias polares, hidrossolúveis, concentram-se na fase aquosa e as apolares, lipossolúveis, na fase orgânica. Quanto maior for a concentração da substância na fase orgânica, maior será a sua lipossolubilidade. Ex.: coeficiente de partição n-octanol/água a 37o C e ph 7,4 de algumas substâncias: clorpromazina = 79,7 ácido acetil salicílico = 11,7 paracetamol = 1,79 Grau de ionização ou de dissociação A maioria dos agentes tóxicos comportam-se como ácidos ou bases fracas que possuem um ou mais grupos funcionais capazes de se ionizarem. A extensão desta ionização dependerá do ph do meio no qual a substância se encontra e do seu próprio pka (logaritimo negativo da constante de dissociação da substância). É importante relembrar que a forma ionizada é polar, hidrossolúvel e com pouca ou nenhuma capacidade de transpor membranas por difusão passiva pela fase lipídica. O grau de ionização das substâncias, em diferentes ph, poderá ser obtido através da aplicação da equação de Henderson-Hasselbach, para ácidos fracos e bases fracas. 14

15 Para ácidos fracos: Para bases fracas: [NI] = forma não ionizada [I] = forma ionizada Tomando-se como exemplo o ácido acetilsalicílico (um ácido fraco com pka=3,4), qual será o seu comportamento no estômago e no plasma? No suco gástrico, com um valor de ph=1,4 tem-se: 3,4-1,4 = log NI/I 2 = log NI/I NI/I = 102, ou seja, uma relação de 100 moléculas não ionizadas para cada uma que se dissocia. Portanto prevalece a forma molecular, lipossolúvel e capaz de vencer a membrana celular. No plasma, onde o valor ph é de 7,4 tem-se: 3,4-7,4 = log NI/I -4 = log NI/I NI/I = 10-4 nesse caso, a relação é de uma molécula não ionizada para cada 10 mil que se dissocia. Portanto, prevalece a forma não ionizada, não lipossolúvel e incapaz de transpor a fase lipídica da membrana. Esses dados permitem evidenciar que a difusão no sentido sangue? estômago praticamente não ocorre, o que resulta na absorção do ácido acetilsalicílico no estômago e conseqüente distribuição. O contrário acontecerá com uma base fraca. Portanto, as substâncias ácidas passam as membranas muito mais facilmente em ph ácido, enquanto as de natureza alcalina encontrão melhores chances em ph alcalino. Quando o ph do meio é igual ao pka de um composto, a metade deste estará na forma ionizada e a outra metade na forma não-ionizada. Importante ressaltar que o pka sozinho não indica se um composto tem caráter ácido ou básico, já que os ácidos fracos possuem pka elevado, mas as bases fortes também. Da mesma maneira, os ácidos fortes apresentam pka baixo assim como as bases fracas. Tamanho e carga da partícula (molécula ou íon) A existência de poros na membrana celular permitem a passagem de partículas hidrossolúveis menores que 8 Å. Aquelas com tamanho superior não sofrem esse processo de filtração. Alguns cátions também têm sua passagem dificultada, uma vez que os poros apresentam cargas positivas em razão da presença das proteínas e cálcio. Os ânions passaam com maior facilidade. 15

16 Absorção A absorção pode ser definida como o processo por meio do qual o agente tóxico atravessa as membranas celulares para alcançar a circulação sangüínea. Vias de absorção Distinguem-se como principais vias de introdução dos agentes tóxicos no organismo: Via oral, digestiva ou trato gastrintestinal (TGI) Uma vez no TGI, um agente tóxico poderá sofrer absorção desde a boca até o reto, geralmente pelo processo de difusão passiva. Poucas substâncias sofrem a absorção na mucosa oral, porque o tempo de contato é pequeno nesse local. Estudos feitos experimentalmente, no entanto, mo stram que a cocaína, a estricnina, a atropina e vários opióides podem sofrer absorção na mucosa bucal. Esta absorção é dependente, principalmente, do coeficiente de partição óleo/água (quanto maior este coeficiente mais fácil a absorção) e resulta em níveis sangüíneos elevados, já que as substâncias não sofrerão a ação dos sucos gastrintestinais. Não sendo absorvido na mucosa oral, o toxicante poderá sofrer absorção na porção do TGI onde existir a maior quantidade de sua forma não-ionizada (lipossolúvel). Para se conhecer a fração da substância não ionizada, ou aquela apta a sofrer absorção por difusão passiva, é importante a utilização da fórmula de Handerson-Hasselbach. Um dos fatores que favorecem a absorção intestinal de nutrientes e xenobióticos é a presença de microvilosidades, que proporcionam grande área de superfície. Embora a grande maioria dos agentes tóxicos sofram absorção no TGI por difusão passiva, muitas substâncias serão absorvidas por processos especiais, mais precisamente por transporte ativo. Exemplo: o chumbo é absorvido por transporte ativo e utiliza o sistema que transporta o cálcio; o tálio é transportado pelo sistema carregador responsável pela absorção de ferro, etc. Fatores que interferem na absorção pelo TGI Além das propriedades físico-químicas dos toxicantes, já discutidas, outros fatores poderão interferir na absorção: estado de plenitude ou vacuidade gastrintestinal: a absorção será favorecida se o estômago estiver vazio, devido ao maior contato do toxicante com a mucosa. É importante considerar a apresentação do produto (sólida ou líquida). Alimentos com elevado teor gorduroso como o leite e o tipo de veículo utilizado na formulação podem facilitar a absorção de substâncias lipossolúveis; concentração enzimática e acidez: estes sucos digestivos, seja por sua acidez iônica, seja por ação enzimática, podem provocar mudanças na atividade ou na estrutura química do agente, alterando assim a velocidade de absorção. Ex.: o ph estomacal das crianças possui menor acidez que o dos adultos. Isto implica em um desenvolvimento maior de microrganismos, principalmente a Escherichia coli, bactéria que reduz, no estômago, o nitrato a nitrito. Como as crianças possuem dietas ricas em nitratos, estes serão reduzidos a nitritos, que são rapidamente absorvidos pela mucosa estomacal, o que pode ocasionar metemoglobinemia; 16

17 motilidade intestinal: a alteração do tempo de esvaziamento gástrico e da motilidade intestinal (pelo toxicante ou alimentos) poderá aumentar ou diminuir o tempo de contato do agente tóxico com a mucosa e, consequentemente, a absorção nesse local. Deve-se considerar ainda, a capacidade da substância de provocar irritação e vômito; efeito de primeira passagem pelo fígado: as substâncias absorvidas no estômago e duodeno entram na circulação porta e passam pelo fígado, podendo ser biotransformadas de maneira mais ou menos intensa. Este efeito pode ser responsável pela menor biodisponibilidade de algumas substâncias, quando estas são administradas por via oral. Alguns fatores que interferem na absorção pelo TGI podem variar de acordo com o sexo e, no feminino, entre as gestantes e não gestantes. Este fato é importante na avaliação da intensidade de absorção de xenobióticos por essa via. Via cutânea A pele é um órgão formado por múltiplas camadas de tecidos e contribui com cerca de 10% de peso corpóreo. No estado íntegro, a pele constitui uma barreira efetiva contra a penetração de substâncias químicas exógenas. No entanto, alguns xenobióticos podem sofrer absorção cutânea, dependendo de fatores tais como a anatomia e as propriedades fisiológicas da pele e das propriedades físico-químicas dos agentes. A pele é formada por duas camadas, a epiderme que é a camada mais externa da pele a derme, que é formada por tecido conjuntivo e onde se encontram vasos sangüíneos, nervos, folículos pilosos, glândulas sebáceas e sudoríparas. Estes três últimos elementos da derme permitem o contato direto com o meio externo. As substâncias químicas podem ser absorvidas, principalmente, através das células epidérmicas ou folículos pilosos. Absorção transepidérmica A absorção dos agentes químicos pela pele tem sua velocidade limitada pela região córnea da epiderme, mais precisamente pelo extrato córneo contínuo. As substâncias lipossolúveis penetram por difusão passiva através dos lipídios existentes entre os filamentos de queratina, sendo a velocidade desta absorção indiretamente proporcional à viscosidade e volatilidade do agente. Já as substâncias polares, de baixo peso molecular, penetram através da superfície externa do filamento de queratina, no extrato hidratado. A absorção transepidérmica é o tipo de absorção cutânea mais freqüente, devido ao elevado número de células epidérmicas existente, embora não seja uma penetração muito fácil para os toxicantes. Absorção transfolicular A absorção nessa região é menos significativa do que a transepidérmica. Algumas substâncias químicas podem penetrar pelos folículos pilosos, alcançando rapidamente a derme. É uma penetração fácil para os agentes químicos, uma vez que eles não necessitam cruzar a região córnea. Qualquer tipo de substância química, seja ela lipo ou hidrossolúvel, ionizada ou não, gás ou vapor, ácida ou básica, pode penetrar pelos folículos. É uma absorção também importante para alguns metais. Fatores que interferem na absorção cutânea Existem vários fatores que podem interferir na absorção através da pele. Geralmente eles são agrupados em quatro classes diferentes. 17

18 1. Fatores relacionados ao organismo superfície corpórea: a superfície corpórea total no homem é maior do que na mulher (média de 1,70 a 1,77 m2 no homem e de 1,64 a 1,73 m2 na mulher). Este fato pode aumentar a absorção transepidérmica no homem (maior superfície de contato com o xenobiótico); volume total de água corpórea: quanto maior o volume aquoso corpóreo, maior a hidratação da pele e consequentemente, a absorção cutânea. Quando comparado à mulher, o homem possui maior volume aquoso total, extra e intracelular, o que favorece a absorção cutânea. Este fato deve ser considerado, também, quando se compara mulheres grávidas e não grávidas. As gestantes apresentam maior volume aquoso corpóreo e, em conseqüência, maior hidratação do extrato córneo. Isto possibilita maior absorção cutânea de xenobióticos; abrasão da pele: com a descontinuidade da pele, a penetração torna-se fácil; fluxo sangüíneo através da pele: deve-se considerar a vascularização das áreas expostas, uma vez que, quanto mais vascularizada a região, maior o fluxo sangüíneo no local. Estudos demonstram que, em média, 5% do sangue bombeado pelo coração passa pela pele, com fluxo em torno de 120 ml/kg/min. Inflamação ou fatores que levam à hiperemia aumentarão a absorção cutânea. Durante a gestação também ocorrem aumentos significativos no fluxo sangüíneo das mãos (em até 6 vezes) e pés (até 2 vezes), o que poderá influenciar a absorção cutânea de xenobióticos nas gestantes expostas; queimaduras químicas e/ou térmicas: apenas as leves ou moderadas, já que as severas destroem totalmente o tecido, formando uma crosta de difícil penetração; pilosidade: nas áreas em que existem pêlos, a absorção cutânea pode ser 3,5 a 13 vezes maior do que nas regiões glabras. 2. Fatores relacionados ao agente químico (já discutidos anteriormente) volatilidade e viscosidade; grau de ionização; tamanho molecular. 3. Fatores ligados à presença de outras substâncias na pele vasoconstritores: estes vão reduzir a absorção cutânea, devido à diminuição da circulação sangüínea; veículos: podem auxiliar na absorção, mas não promovem a penetração de substâncias que, normalmente, não seriam absorvidas pela pele íntegra; água: a pele tem normalmente 90 g de água por grama de tecido seco. Isto faz com que a sua permeabilidade seja 10 vezes maior do que aquela do extrato totalmente seco. O contato prolongado com água pode aumentar a hidratação da pele em 3 a 5 vezes, o que resultará em um aumento na permeabilidade cutânea em até 3 vezes; agentes tensoativos: os sabões e detergentes são substâncias bastante nocivas para a pele. Eles provocam alteração na permeabilidade cutânea, mesmo quando presentes em pequenas concentrações. Alteram, principalmente, a 18

19 absorção de substâncias hidrossolúveis, devido às modificações que provocam na estrutura do filamento de queratina; solventes orgânicos: estes aumentam a absorção cutânea para qualquer tipo de agente químico, pois removem lipídios e lipoproteínas presentes no extrato córneo, tornando-o poroso e menos seletivo. 4. Fatores ligados às condições de trabalho (exposição ocupacional) tempo de exposição; temperatura do local de trabalho: pode haver um aumento de 1,4 a 3 vezes na velocidade de penetração cutânea de agentes químicos, para cada 10oC de aumento na temperatura. Como já mencionado, o sexo e o estado gestacional podem alterar parâmetros fisiológicos importantes e, consequentemente, a intensidade da absorção cutânea O contato dos agentes químicos na pele podem determinar: efeito nocivo local sem ocorrer absorção cutânea. Ex.: ácidos e bases fortes. efeito nocivo local e sistêmico. Ex.: o arsênio, benzeno, etc. efeito nocivo sistêmico, sem causar danos no local de absorção: por exemplo, inseticidas carbamatos (exceção feita ao aldicarbque é um carbamato com potente ação local). Via respiratória, pulmonar ou inalatória A via respiratória é de suma importância para a Toxicologia Ocupacional. Muitas intoxicações ocupacionais são decorrentes da aspiração de substâncias contidas no ar. A superfície pulmonar total é de aproximadamente 90 m2, a superfície alveolar de 50 a 100 m2 e o total de área capilar é cerca de 140 m2. O fluxo sangüíneo contínuo exerce uma ação de dissolução muito boa e muitos agentes químicos podem ser absorvidos rapidamente a partir dos pulmões. Os agentes passíveis de sofrerem absorção pulmonar são os gases e vapores e os aerodispersóides. Estas substâncias poderão ser absorvidas, tanto nas vias aéreas superiores, quanto nos alvéolos. Absorção de gases e vapores Pelas vias aéreas superiores (VAS) Em geral, não se dá muita atenção para a absorção desses compostos nas vias aéreas superiores. No entanto, muitas vezes, a substância pode ser absorvida na mucosa nasal, evitando sua penetração até os alvéolos. A retenção parcial ou total dos agentes no trato respiratório superior, está ligada à hidrossolubilidade da substância. Quanto maior a sua solubilidade em água, maior será a tendência de ser retido no local. Visto sob este ângulo, a umidade constante das mucosas que revestem estas vias, constitui um fator favorável. Há, no entanto, a possibilidade da ocorrência de hidrólise química, originando compostos nocivos, tanto para as vias aéreas superiores quanto para os alvéolos. Ex.: tricloreto de fósforo + H 2 O HCl + CO 2 ; dióxido de enxofre (SO 2 ) + H 2 O ácido sulfúrico. 19

20 Os produtos formados, além dos efeitos irritantes, favorecem também a absorção deles ou de outros agentes pela mucosa já lesada. Assim, nem sempre, a retenção de gases e vapores nas vias aéreas superiores é sinônimo de proteção contra eventuais efeitos tóxicos. Pelos alvéolos Nos alvéolos pulmonares duas fases estão em contato, uma gasosa formada pelo ar alveolar e outra líquida representada pelo sangue. Essas duas fases são separadas por uma barreira dupla: o epitélio alveolar e o endotélio capilar. Diante de um gás ou de um vapor, o sangue pode se comportar de duas maneiras diferentes: como um veículo inerte, ou como meio reativo. Em outras palavras, o agente tóxico pode dissolver-se simplesmente por um processo físico ou, ao contrário, combinar-se quimicamente com elementos do sangue. No primeiro caso tem-se a dissolução do toxicante no sangue e no segundo caso, a reação química. Dissolução do toxicante no sangue neste caso, deve-se considerar o agente químico como o soluto e o sangue como solvente. Em relação ao soluto, o fator que interfere na absorção pulmonar é a sua concentração no ar alveolar (pressão parcial). Na verdade, se estabelece uma troca de moléculas entre o ar alveolar e o sangue, no sentido do local onde a pressão parcial é menor. Assim, se a pressão parcial no ar alveolar for maior que no sangue, ocorrerá absorção e se for maior no sangue do que no ar alveolar, haverá excreção. É evidente, portanto, a importância de fatores ambientais, tais como temperatura e pressão, já que estes fatores alteram a pressão parcial de gases e vapores. Em relação ao solvente, deve-se considerar a constituição do sangue. Este tecido orgânico apresenta tanto uma característica aquosa (3/4 do sangue é água) quanto orgânica (proteínas, lipídios, e outros componentes). Sendo assim, mais do que a lipo ou hidrossolubilidade de um agente tóxico, deve-se aqui, considerar a sua solubilidade no sangue. A importância deste fator surge de maneira mais evidente, quando se recorda que a duração do contato entre o ar alveolar e o sangue é de uma fração de segundo apenas. Então, para os gases e vapores que não estabelecem combinações químicas, apenas suas solubilidades no sangue assegurarão uma boa absorção pulmonar. Uma maneira prática de se observar a solubilidade de uma substância no sangue é determinar o chamado coeficiente de distribuição (K). Esse coeficiente é expresso pela relação entre a concentração do agente tóxico no ar alveolar pela concentração do agente tóxico no sangue, no momento em que se instala o equilíbrio. Alguns autores utilizam a correlação: concentração do toxicante no sangue por concentração do toxicante no ar alveolar, para avaliar a solubilidade da substância. Então um coeficiente baixo implica em uma boa solubilidade no sangue e isto conduz a uma concentração elevada do agente neste meio. No entanto, justamente devido a esta alta solubilidade, a saturação sangüínea será lenta, a retenção do agente neste local será mais longa e a transferência aos tecidos tardia. Quando o coeficiente de distribuição é alto, os fenômenos inversos acontecem. Assim, o K permite avaliar a concentração do agente no sangue conhecendo-se sua concentração no ar alveolar. Pode-se observar que dois fatores foram destacados até aqui: a pressão parcial do gás ou vapor e sua solubilidade no sangue. Não foi considerada a presença das membranas alveolares e capilares interpostas entre o ar e o sangue. Isto porque estas membranas possuem espessura muito pequena (cerca de 1?m) e superfície muito grande, não representando um obstáculo à absorção das substâncias químicas. Se o agente tóxico tem pequeno tamanho molecular e boa solubilidade no sangue, poderá ser absorvido pelos pulmões. 20