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Introducción a la toxicología veterinaria Introducción a la toxicología veterinaria Gonzalo J. Díaz, MV, MSc, PhD María C. Lozano, MV, MSc © UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA © Gonzalo J. Díaz �������� �� �������� ����������� � �� ��������� María C. Lozano �������� �� �������� ���� 978-958-701-753-3 Coordinación editorial Jineth Ardila Asistencia editorial Ana Cecilia Calle Concepto gráfico Isabel Sandoval & Jineth Ardila Elaboración de portada y diagramación Isabel Sandoval Cuidado de textos Alejandra Huyó y A.M.M. Impresión Sección de Publicaciones Proyecto ganador del concurso Divulgación de la Producción Académica, 2004, convocado por la Dirección Académica de la UN ~ Sede Bogotá. Su reproducción estuvo a cargo de la Dirección Nacional de Divulgación Cultural de la Vicerrectoría Académica de la Universidad Nacional de Colombia. Todos los derechos reservados. Bajo las sanciones establecidas en las leyes, queda rigurosamente prohibida, sin autorización escrita de los titulares del copyright, la reproducción total o parcial de esta obra por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático. Catalogación en la publicación Universidad Nacional de Colombia ......................... [7] CONTENIDO Prefacio 11 CAPÍTULO 1 Historia y contexto actual de la toxicología 15 La antigüedad 15 La Edad Media 16 El “Siglo de las Luces” 17 La “Revolución Industrial” 18 La Edad Moderna 19 La toxicología en Colombia 20 Actividades desarrolladas por los toxicólogos 22 Ciencias básicas, áreas fundamentales y áreas aplicadas de la toxicología 23 Comentarios finales 23 Referencias 24 CAPÍTULO 2 Definiciones y terminología toxicológica 27 Terminología toxicológica 28 Clasificación de los tóxicos de acuerdo con su toxicidad relativa 32 Factores que influyen en la toxicidad 33 Clasificación de los tóxicos en toxicología clínica 36 Referencias 37 CAPÍTULO 3 Cálculos en toxicología 41 Presentación de los tóxicos 43 Forma de expresar las concentraciones de un tóxico 43 Aplicaciones de los cálculos en toxicología 44 Ejercicios 46 Referencias 47 [8] CAPÍTULO 4 Fases de la acción tóxica 51 Fase de exposición 51 Fase toxicocinética 52 Fase toxicodinámica 65 Referencias 71 CAPÍTULO 5 Metabolismo fase I y fase II: enzimas responsables 75 Metabolismo Fase I: citocromos P450 75 Metabolismo fase II 79 Fase III: excreción 86 ANEXO 1 Ejemplos de anormalidades congénitas en metabolismo fase II y fase III 88 Hiperbilirrubinemias hereditarias crónicas 88 Referencias 90 CAPÍTULO 6 Diagnóstico en toxicología y etiología general de las intoxicaciones 95 Historia clínica y circunstancias de exposición 96 Examen clínico 97 Patología clínica 99 Hallazgos postmortem 100 Análisis químico 101 Pruebas biológicas 104 Etiología general de las intoxicaciones 104 Intoxicaciones accidentales 105 Intoxicaciones influenciadas por el hombre 105 Referencias 106 [9] CAPÍTULO 7 Terapia y manejo de las toxicosis 109 Intervención de emergencia o terapia de sostenimiento 109 Intervención general o inespecífica 110 Medidas específicas o antidotales 114 Referencias 117 CAPÍTULO 8 Introducción a la toxicología analítica 121 Métodos cromatográficos 121 Métodos espectrofotométricos 132 Referencias 139 CAPÍTULO 9 Introducción a la toxicología ambiental 143 Contaminación atmosférica 145 Contaminación atmosférica en la ciudad de Bogotá 150 Impactos ambientales ocasionados por contaminantes atmosféricos 153 Referencias 157 CAPÍTULO 10 Introducción a las plantas tóxicas 161 El papel ecológico de las toxinas presentes en las plantas 161 Las plantas y los animales coevolucionan 162 Estrategias de defensa de los animales 163 Clasificación de las toxinas naturales de acuerdo con su estructura química 164 Referencias 179 [11] PREFACIO El presente libro constituye un marco teórico para el tema “Toxico- logía general”, correspondiente al programa curricular de la asig- natura de Toxicología, ofrecida a los estudiantes de la carrera de Medicina Veterinaria de la Facultad de Medicina Veterinaria y de Zootecnia de la Universidad Nacional de Colombia. Una primera edición de este libro fue publicada informalmente en 1996 por el profesor Gonzalo Díaz y el estudian- te de Maestría en Toxicología, Ángel Céspedes. Diez años después de publicada esta primera edición con el título Introducción a la toxicología general, el profesor Gonzalo Díaz y la profesora María Constanza Lozano tienen la satisfacción de publicar, con el apoyo de la Dirección Académica de la Universidad Nacional de Colombia, estas guías de toxicología en forma de libro y bajo el título Introducción a la toxicología ve- terinaria. Cabe resaltar que durante el proceso de estructuración de este libro, la actual profesora María Constanza Lozano cursaba estudios de Maestría en Toxicología y fue beneficiaria de la beca “Académicos en Formación-Mo- dalidad Docencia” otorgada por la Universidad Nacional de Colombia. En el texto se recogen aspectos generales útiles para entender proce- sos toxicológicos en los seres vivos, incluyendo la terminología técnica, las relaciones entre los compuestos tóxicos y los seres vivos (toxicocinética y biotransformación), una aproximación al diagnóstico de las intoxicaciones y el tratamiento general de las toxicosis, además de un breve recuento de la historia de la toxicología en el mundo y en Colombia. Adicionalmente, se desarrollan breves capítulos que introducen al conocimiento de im- portantes temas en toxicología, como los métodos en química analítica más empleados para determinar la presencia de tóxicos, el impacto de los contaminantes en el medioambiente y las principales sustancias tóxicas presentes en las plantas. El documento es de interés para los estudiantes de Toxicología duran- te su formación como médicos veterinarios, así como para profesionales de las áreas de la salud, interesados en conocer aspectos generales de la toxicología. G������ J. D��� � M���� C�������� L����� Bogotá, mayo 2006 1 historia y contexto actual de la toxicología [15] CAPÍTULO 1 Historia y contexto actual de la toxicología El contacto del hombre con sustancias tóxicas, tanto de origen natural como sintético, es algo inevitable y cotidiano. Desde la antigüedad, el ser humano ha reconocido a través de la experiencia la existencia en la naturaleza de venenos animales, plantas tóxicas y mine- rales potencialmente peligrosos. Extractos de plantas tóxicas (curare) y venenos de origen animal (ranas neurotóxicas) son inclusive usados hoy por comunidades indígenas para la caza. La antigüedad El documento toxicológico más antiguo que se conoce hasta el momento es el denominado Papiro de Ebers, que fue escrito aproximada- mente entre los años 1553 y 1550 a.C. El papiro fue comprado en la ciudad de Luxor (antigua Tebas) en 1873 por el egiptólogo alemán Georg Moritz Ebers, mide más de veinte metros de longitud, consta de 110 páginas y describe más de 700 fórmulas, que incluyen sustancias medicinales y tóxicas. Dentro de los tóxicos mencionados en el papiro de Ebers están la cicuta (el veneno del Estado en la Grecia Antigua), el acónito (veneno de flechas chino), el opio (usado como veneno y como antídoto), el heleboro (contiene glucósidos cardiotóxicos), la hiosciamina (un alcaloide tropa- no) y metales como el plomo, antimonio y cobre. El papiro se encuentra actualmente en la biblioteca de la Universidad de Leipzig, Alemania. Durante el apogeo de la civilización griega se lograron algunos de- sarrollos importantes en la toxicología. Hipócrates (400 a.C.), describió muchas sustancias tóxicas y postuló algunos principios de toxicología clínica, mientras que Teofrasto (discípulo de Aristóteles, 370-286 a.C.) describió numerosas plantas tóxicas en su libro De Historia Plantarum. Dioscórides, médico griego enla corte de Nerón, en su libro De Universa [16] introducción a la toxicología veterinaria Medica clasificó por primera vez los tóxicos de acuerdo con su origen en: venenos animales, vegetales y minerales. Esta clasificación aún se utiliza hoy. Dioscórides también introdujo medidas terapéuticas como la induc- ción del vómito y el uso de cáusticos y succión en casos de mordedura de serpiente. Los romanos hicieron uso considerable de los tóxicos en la política, tanto que Mitrídates VI (ca. 132 a.C.), rey de Ponto, es considerado como el padre de los antídotos. Mitrídates afirmó que había descubierto “un antí- doto para cada reptil venenoso y cada sustancia tóxica” y acostumbraba tomar regularmente una mezcla de cantidades pequeñas de venenos (36 distintos) con el fin de hacerse resistente a estos. Cuenta la historia que al ser capturado por un soldado enemigo intentó envenenarse sin éxito, por lo cual tuvo que recurrir a la espada de uno de sus siervos para suicidar- se. En su honor se conoce como “mitridático” una mezcla antidotal. Los envenenamientos se hicieron tan populares en la Roma Antigua que el emperador Lucius Cornelius Sulla se vio forzado a promulgar la Lex Cor- nelia (ca. 82 a.C.), la cual castigaba específicamente a los envenenadores. La Edad Media En la Edad Media, el médico árabe Maimónides (Moses ben Mai- mon, A.D. 1135-1204) escribió un tratado sobre tratamientos contra el envenenamiento por insectos, serpientes y “perros rabiosos” en su libro Venenos y sus antídotos (1198). Al igual que Hipócrates, también escribió sobre lo que hoy en día se conoce como biodisponibilidad y observó que la leche, la mantequilla y la crema de leche podían retardar la absorción gástrica. Durante el Renacimiento temprano los italianos, con su pragmatis- mo característico, llevaron el “arte del envenenamiento” a la cumbre. Los registros del consejo de la ciudad de Florencia, por ejemplo, contienen abundantes testimonios del uso de los tóxicos en la política. El envene- nador se convirtió en parte integral de la política, se fijaban precios y se firmaban contratos de envenenamiento. Varios personajes se hicieron célebres por sus habilidades como envenenadores. Toffana preparaba cosméticos a base de arsénico (Aqua Toffana), con instrucciones apropia- das para su uso. Hieronyma Spara formó un club de mujeres casadas, adineradas y jóvenes que pronto se convertían en jóvenes adineradas viudas, tal como en la Antigua Roma (cosméticos a base de arsénico se historia y contexto actual de la toxicología [17] reportan como causantes de intoxicación aún en los siglos XIX y XX, incluso en Colombia, como se describe más adelante). Dentro de las familias de envenenadores famosos de la Edad Me- dia se encuentran los Borgia, incluyendo a Alexander IV, su hijo César y Lucrecia Borgia. Sin embargo, muchas muertes, que inicialmente se atribuyeron a envenenamientos, han sido aceptadas hoy en día como causadas por enfermedades infecciosas, como la malaria. La italiana Catherine de Medici se trasladó a Francia en donde realizó “pruebas biológicas” en humanos para determinar la eficacia de sus pociones tóxicas. También en Francia, Catherine Deshayes (La Voisine) comercializó sus servicios como envenenadora. Sin embargo, su negocio fracasó tras su condena en la Cámara Ardiente de Luis XIV y su ejecución, lo cual no evitó que antes asesinara a miles de personas, incluyendo más de 2.000 niños. El “Siglo de las Luces” Durante el denominado “Siglo de las Luces” apareció un personaje que revolucionaría el curso de la toxicología: el médico y químico suizo Philippus Theophrastus Aureolus Bombastus von Hohenheim (1493- 1541), más conocido como Paracelso. En 1526, siendo profesor de medicina en Basilea (Suiza), Paracelso conmocionó a los eruditos de su época al quemar en público todos los libros de medicina escritos por griegos y árabes. También emprendió acciones drásticas para sacar a la ciencia de su letargo, causando furia entre los médicos; sin embargo, Paracelso los obligó a poner en tela de juicio las ideas tradicionales, a pensar con una nueva perspectiva y a considerar la observación y la experimentación como actividades esenciales de la medicina. El enunciado toxicológico que sigue a continuación inmortalizó a Paracelso: Todas las sustancias son tóxicas; no hay ninguna que no lo sea. Sólo la dosis diferencia un tóxico de un remedio. Durante el tiempo transcurrido entre Aristóteles y Paracelso no ocurrió ningún cambio sustancial en las ciencias biomédicas. Paracelso formuló muchos conceptos que aún permanecen vigentes en la toxicolo- gía moderna, incluyendo los siguientes: - La experimentación es esencial para determinar el efecto de los tóxicos. [18] introducción a la toxicología veterinaria - Deben diferenciarse las propiedades terapéuticas y tóxicas de los compuestos. - Estas propiedades son por lo general indiferenciables, excepto por la dosis. - Se puede determinar el grado de especificidad de cada compuesto y sus efectos terapéuticos y toxicológicos. El establecimiento de estos principios llevó a Paracelso a introducir el uso del mercurio como tratamiento para la sífilis, una práctica que duró 300 años. Sus puntos de vista presagiaron el concepto del índice te- rapéutico y del establecimiento de la relación dosis-respuesta; conceptos fundamentales en la toxicología moderna. La “Revolución Industrial” Los desarrollos de la llamada “Revolución Industrial” llevaron a la aparición de enfermedades asociadas al trabajo y al nacimiento de la toxicología ocupacional. En 1775, Percival Po� descubrió el papel de los xenobióticos sobre la salud humana, al notar la alta incidencia de cáncer de escroto en limpiadores de chimeneas. Los hidrocarburos poliaromáticos carcinogénicos, causantes de este problema son todavía importantes en la actualidad. Estos hallazgos sirvieron para mejorar la práctica médica, particularmente en lo que respecta a la prevención. Sin embargo, no fue sino hasta llegado el siglo XIX, cuando aparecieron las obras clásicas de Orfila (1787-1853), Magendie (1783-1885) y Bernard (1813-1878), que sientan realmente las bases de la toxicología experimen- tal y se realizaron los primeros trabajos sobre terapéutica experimental, farmacológica y toxicología ocupacional. Mateo José Buenaventura Orfila (1787-1853), médico español al servicio de la Corte de Francia, fue el primer toxicólogo que empleó material de necropsia y análisis químico sistemático como prueba legal de envenenamiento (toxicología forense). Sus libros Tratado de toxicología general (1813), Elementos de química médica (1814) y Tratado de las exhumaciones jurídicas (1830) fueron fundamentales para el desarrollo de la toxicología. François Magendie (1783-1885), médico y fisiólogo francés, estudió los mecanismos de acción de la emetina, estricnina y los “venenos de historia y contexto actual de la toxicología [19] flechas” (curare). Sus investigaciones sobre la absorción y distribución de estos compuestos son, hoy en día, clásicos de la toxicología y la far- macología. Claude Bernard (1813-1878), discípulo de Magendie, continuó el estudio de los venenos de flechas y estudió el mecanismo de acción del monóxido de carbono (CO). Escribió un libro clásico para la toxicología experimental titulado Introducción al estudio de la medicina experimental. La Edad Moderna La toxicología se ha desarrollado rápidamente en los últimos cien años, pero su crecimiento exponencial se inicia en la era de la posguerra (después de la Segunda Guerra Mundial), época en la que se dispara la producción de moléculas orgánicas como medicamentos, pesticidas y sustancias químicas de uso industrial. Hacia 1955, el toxicólogo esta- dounidense Arnold Lehman escribió el siguiente adagio que indica la complejidad de la toxicología moderna: “usted también puede ser un toxicólogo en dos sencillas lecciones, cada una de diez años”. Lehman y sus colaboradores formalizaronel programa experimental de evaluación de seguridad de alimentos, drogas y cosméticos de los Estados Unidos en 1955. Este programa se mantuvo vigente hasta 1982, cuando fue actuali- zado por la Oficina de Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (Food and Drug Administration, FDA). La primera revista científica sobre toxicología (Toxicology and Applied Pharmacology) fue creada por Coulston, Lehman y Hayes, en Estados Unidos. Algunos de los desarrollos más importantes de la toxicología en la Edad Moderna se resumen en la tabla 1.1. TABLA 1.1. Principales desarrollos de la toxicología moderna* Primeros desarrollos en métodos analíticos Marsh, 1836 Desarrollo de un método para determinación de arsénico. Reinsh, 1841 Método combinado para separación y determinación de arsénico y mercurio. Fresenius, 1845 y von Babo, 1847 Desarrollo de un método de tamizaje para determinación de tóxicos en general. Stas-Otto, 1851 Extracción y separación de alcaloides. Mitscherlich, 1855 Determinación de fósforo. continúa [20] introducción a la toxicología veterinaria Primeros estudios sobre mecanismos de acción Magendie, 1809 Venenos de flechas, estricnina y emetina. Bernard, 1850 Combinación del monóxido de carbono con la hemoglobina, mecanismo de acción de la estricnina, sitio de acción del curare. Voegtlin, 1923 Mecanismo de acción del As y de metales pesados sobre los grupos tiol (-SH). Introducción de nuevos tóxicos y antídotos Chen, 1934 Introducción de antídotos modernos contra la intoxicación por cianuro (nitrito y tiosulfato). Peters, Stocken y Thompson, 1945 Desarrollo del BAL, un antídoto relativamente específico para el arsénico; toxicidad de los compuestos monofluorocarbonados. Müller, 1944-1946 Introducción y estudio del DDT e insecticidas relacionados. Schrader, 1952 Introducción y estudio de los insecticidas órganofosforados. Otros estudios R.T. Williams Estudios de los mecanismos de detoxificación y de la variación entre especies. R.A. Kehoe Investigación de los efectos agudos y crónicos del plomo. A. Vorwald Estudios de enfermedad respiratoria crónica por berilio. H. Hardy Intoxicaciones industriales y de comunidades por berilio. R.A. Peters Lesiones bioquímicas, síntesis letal. A.E. Garrod Defectos genéticos en el metabolismo. T.T. Litchfield y F. Wilcoxon Evaluación dosis-respuesta simplificada. C.J. Bliss Método de probits; cálculo de las curvas dosis-mortalidad. *Adaptado de Gallo (2001). La toxicología en Colombia En Colombia la toxicología se ha desarrollado de manera parcial, haciéndose un relativo énfasis en la forense y clínica, dejando de lado prácticamente todas las demás ramas de la toxicología (alimentaria, regulatoria, ambiental, etc.). El primer caso documentado de toxicología forense data de julio de 1825, cuando se realizó en Bogotá el primer análisis toxicológico con motivo de la muerte de dos mujeres; inicialmente se pensó que se había debido a lesiones traumáticas. El médico legista Bernardo Dast y el pro- fesor de química Esteban Gaudot llegaron al diagnóstico toxicológico, tras comprobar la presencia de solimán (mercurio) y de arsénico en las vísceras de las mujeres. El 24 de agosto de 1948 se inauguró el Instituto de Medicina Legal. El primer director del Laboratorio de Toxicología de este Instituto fue el químico Eduardo Lleras Codazzi, catedrático de química biológica de la historia y contexto actual de la toxicología [21] Facultad Nacional de Medicina, quien publicó varias de sus investiga- ciones en la Revista de Medicina Legal de Colombia. La toxicología clínica se inició basada en las nociones de toxicología que figuraban en los programas de los cursos de Medicina Legal en facultades de medicina, que eran insuficientes para esta materia. Los diagnósticos realizados en clínicas y hospitales eran meramente empíricos y las consecuencias se reflejaban en altas tasas de mortalidad. Posteriormente, surgió la idea de que los diagnósticos toxicológicos se basaran, no solamente en los sínto- mas clínicos, sino también en los exámenes practicados por un toxicólogo analítico en muestras de contenido gástrico, sangre u orina, y que una vez logrado el diagnóstico, el tratamiento se basara en procedimientos modernos, empleando terapia antidotal. En 1965 se inició la instalación de un laboratorio toxicológico en la Clínica del Country, bajo la dirección del químico toxicólogo José Alirio Bermúdez. Posteriormente, se fundó en el Hospital San José, el Departamento de Toxicología dirigido por el médico Camilo Uribe, en conexión con el Laboratorio de Química Toxi- cológica de la Clínica “Guillermo Uribe Cualla”, primera clínica privada especializada en toxicología, fundada el 8 de julio de 1966. Junto con la Clínica Toxicológica “Guillermo Uribe Cualla”, se crearon el Centro de Asesoramiento Toxicológico de Bogotá (CAT) y la Sociedad Colombiana de Toxicología. En junio de 1974 se fundó la Asociación Colombiana de Toxicología y Farmacodependencia, A������. En cuanto a la toxicología veterinaria, el Grupo de Investigación en Toxicología y Nutrición Aviar (grupo Colciencias COL0010403; h�p://www.unal.edu.co/veterinaria/grupos_inv.html) ha realizado im- portantes aportes al conocimiento de la toxicología alimentaria animal, particularmente en el área de las micotoxinas. El grupo cuenta con más de 60 publicaciones científicas y ha recibido apoyo de instituciones como la FAO y la Fundación Internacional para la Ciencia (IFS). Este grupo funciona desde 1990 en el Laboratorio de Toxicología de la Facultad de Medicina Veterinaria y de Zootecnia de la Universidad Nacional de Co- lombia y ha recibido el reconocimiento de Colciencias en las dos últimas convocatorias de grupos y centros de investigación de Colombia (años 2000 y 2003). En cuanto a la enseñanza de la toxicología veterinaria en Colombia, la cátedra de Toxicología Veterinaria en la Facultad de Veterinaria de la Universidad Nacional de Colombia se inició en el año 1968, haciendo parte del curso de farmacología, con una intensidad de dos horas sema- nales. En 1970 se aprobó la creación de la toxicología como asignatura [22] introducción a la toxicología veterinaria independiente, a la cual se le otorgaron cuatro horas semanales, dic- tadas inicialmente por el profesor español Isidoro del Río Lozano. En la actualidad, y después de la última reforma del pénsum de la carrera de Medicina Veterinaria, la toxicología hace parte de las materias de séptimo semestre y cuenta con una intensidad de seis horas semanales. Es importante mencionar que la Ley 84 de 1989, o “Estatuto Nacional de Protección a los Animales”, prohíbe específicamente la realización de prácticas de toxicología con animales. Esta ley, sin embargo, permite prácticas violentas y crueles contra los animales, tales como el toreo, la riña de gallos y el “tiro al pichón”. Actividades desarrolladas por los toxicólogos Un toxicólogo, ya sea humano o veterinario, puede desarrollar actividades en diferentes instituciones, como universidades y centros educativos, industrias y organizaciones gubernamentales. Los aportes y actividades desarrolladas por un toxicólogo resultan ampliamente variadas y pueden incluir las siguientes: • Estudios sobre mecanismos de acción y exposición a tóxicos como causantes de enfermedades agudas y crónicas. • Estudios de fisiología y farmacología mediante el uso de sustancias tóxicas, con el fin de elucidar fenómenos fisiológicos. • Reconocimiento, identificación y cuantificación de los peligros que puede ocasionar la exposición ocupacional a sustancias químicas. • Estudios sobre aspectos de salud pública relacionados con la pre- sencia de sustancias químicas en el aire, agua, alimentos, medica- mentos y en el medio ambiente. • Colaboración en el desarrollo de nuevos medicamentos y pestici- das. • Colaboración en el desarrollo de leyes y reglamentaciones con el fin de proteger al hombre, los animales y el medioambiente de los efectos adversos de las sustancias químicas. • Los toxicólogos medioambientales (una rama relativamente nueva de la toxicología) estudian los efectos de las sustancias químicas sobre la flora y la fauna. historia y contexto actual de la toxicología [23] • Los toxicólogos moleculares estudian los mecanismos mediante los cuales los tóxicos modulan el crecimiento y diferenciación celulares y cómo las células responden a los tóxicos a nivel genético. En todas las ramas de la toxicología los científicos exploran los mecanismos mediante los cuales las sustancias químicas afectan los sistemas biológicos. Los toxicólogos clínicos desarrollan antídotos y di- señan tratamientos para controlar las intoxicaciones y el daño causado por los tóxicos. Ciencias básicas, áreas fundamentales y áreas aplicadas de la toxicología La tabla 1.2 muestra un listado de las ciencias básicas de las cuales la toxicología toma sus bases esenciales, las áreas o disciplinas fundamen- tales de la toxicología, y las de aplicación práctica. TABLA 1.2. Ciencias básicas, áreas fundamentales y áreas aplicadas de la toxicología. Ciencias básicas Áreas fundamentales Áreas aplicadas Bioquímica Toxicología general Enseñanza Farmacología Toxicología clínica Toxicología ambiental Fisiología Toxicología analítica Toxicología nutricional Patología Toxicología experimental Toxicología judicial Biología Inmunotoxicología Química Toxicología laboral Comentarios finales La toxicología, al igual que la medicina, es una ciencia y un arte. La ciencia de la toxicología se define como la fase de la observación y reco- lección de datos, mientras que el arte consiste en utilizar la información recogida para predecir resultados de exposición en humanos y animales. En ocasiones estas fases están interrelacionadas, ya que los hechos obte- nidos en la ciencia de la toxicología son utilizados para desarrollar extra- polaciones e hipótesis para explicar los efectos adversos de las sustancias químicas en casos en los que no hay mucha información disponible. Por [24] introducción a la toxicología veterinaria ejemplo, la observación de que la administración de dioxina (TCDD, tetraclorodibenzo-p-dioxina) a ratas Sprague-Dawley hembras causa carcinoma hepatocelular, es un hecho. Sin embargo, concluir que este mismo efecto se presenta en humanos es una conjetura o una hipótesis. Es muy importante diferenciar claramente los hechos de las conjeturas. Si no se diferencia la ciencia del arte, se confunden los hechos con las conjeturas y se puede argumentar que ambas tienen la misma validez, lo cual, evidentemente, no es cierto. En toxicología, al igual que en todas las ciencias, las teorías tienen un mayor nivel de certeza que las hipóte- sis, que a su vez tienen mayor certeza que las especulaciones, opiniones y conjeturas. Referencias G����, M. A. 2001. “History and Scope of Toxicology”, in Klaassen, C.D. (ed.) Casare� and Doull’s Toxicology - The Basic Science of Poisons, McGraw-Hill, New York, pp. 3-10. R������, Manuel. 1988. “Desarrollo y evolución histórica de la toxicología”, en Toxi- cología Fundamental, 2a ed., editorial Científico-Médica, Barcelona, pp. 1-18. U���� G�������, Camilo. 1989. “Reseña histórica de la toxicología”, en Manual de Toxicología Clínica, editorial Temis, Bogotá, pp. 3-24. 2 definiciones y terminología toxicológica [27] CAPÍTULO 2 Definiciones y terminología toxicológica La toxicología es el estudio de las sustancias tóxicas, incluyendo sus características físico-químicas, fuentes, efectos biológicos y tratamiento de las enfermedades que ocasionan. La toxicología comparte muchos aspectos con la farmacología, incluyendo, entre otros, el estudio de los procesos de absorción, distribución, metabolismo y eliminación (ADME) de los compuestos, los mecanismos de acción y la relación dosis- respuesta. Esta última involucra la existencia de una respuesta gradual y posiblemente predecible, según el incremento cuantitativo en la ex- posición a un tóxico. Más que ninguna otra especialidad de las ciencias médicas, la toxicología se basa en este importante principio. Los fármacos pueden llegar a ser tóxicos dependiendo de la dosis administrada, el estado de salud del animal, el consumo simultáneo de otras sustancias, la composición de la dieta, etc. Los nutrientes esenciales pueden también ser causa de intoxicaciones. Por otra parte, diferencias genéticas individuales pueden ocasionar efectos indeseables en sujetos que presentan algún tipo de alteración genética en las enzimas responsa- bles del metabolismo de los xenobióticos o de las proteínas responsables de la eliminación de estos. El estudio de la genética de las enzimas del metabolismo constituye la rama de la ciencia conocida como farmacoge- nética o farmacogenómica. La toxicología clínica veterinaria estudia los efectos de un tóxico en el animal vivo, las alteraciones fisiológicas que produce, los efectos sobre los parámetros de producción, la sintomatología producida y el trata- miento. El dominio de la toxicología clínica, y la posibilidad de llegar a un correcto diagnóstico toxicológico, exigen del toxicólogo veterinario unas bases sólidas de química, farmacología, fisiología, bioquímica, pato- logía, nutrición y parasitología; además debe conocer una gran variedad de sustancias sintéticas, agroquímicos, aditivos alimentarios, conta- minantes medioambientales, gases tóxicos, toxinas de origen animal y [28] introducción a la toxicología veterinaria vegetal y tóxicos inorgánicos, que pueden causar efectos adversos sobre la salud y/o producción de los animales. La toxicología de los compuestos radiactivos tiene importancia principalmente en países industrializados, mientras que los animales venenosos (por ejemplo, serpientes, escorpio- nes, ranas) afectan solamente a una pequeña población de animales. Las plantas tóxicas tienen gran importancia en países tropicales ricos en flora y pueden ocasionar pérdidas económicas importantes a la ganadería. El toxicólogo veterinario debe también tener conocimiento sobre la po- tencial residualidad de los tóxicos en alimentos de origen animal, como carne, leche y huevos. Por ejemplo, en la leche de vaca pueden excretarse compuestos tóxicos como metales pesados (plomo, mercurio, cadmio), insecticidas organoclorados y micotoxinas (aflatoxina M1, ocratoxina A); en el músculo y en órganos como el hígado y riñón pueden acumularse metales pesados, como el cadmio; los huevos pueden contener gosipol, mercurio y residuos de antibióticos. Terminología toxicológica Tóxico: es cualquier sustancia, sólida, líquida o gaseosa, que al introdu- cirse o ponerse en contacto con la superficie de un organismo puede alterar procesos bioquímicos de sus células, debido a sus caracterís- ticas químicas, sin actuar mecánicamente ni por su temperatura. Xenobiótico: cualquier sustancia externa que se incorpore al organis- mo. Toxina: son aquellos tóxicos que tienen origen biológico; también se denominan biotoxinas y se clasifican en tres grandes grupos: Zootoxinas: de origen animal, como las toxinas de ranas, arañas, serpientes, etc. Toxinas microbianas: incluye las endotoxinas y exotoxinas de bac- terias, toxinas de algas (ficotoxinas) y de hongos (micotoxinas). Fitotoxinas: de origen vegetal. Toxicosis: sinónimo de intoxicación. Es el estado de enfermedad resul- tante de la exposición a una sustancia tóxica; por ejemplo, selenio- toxicosis es la descripción del cuadro clínico-patológico que provoca la exposición a niveles tóxicos de selenio. definiciones y terminología toxicológica [29] Toxicidad: hace referencia a la cantidad determinada de un tóxico, que bajo ciertas condiciones específicas provocará efectos tóxicos y resultará en efectos biológicos indeseables. Un concepto muy importante relacionado con la toxicidad es la relación dosis-res- puesta. Generalmente los efectos adversos de un tóxico sobre un organismo sólo se presentancuando la cantidad de tóxico alcanza una concentración mínima. La mayoría de respuestas aumentan su grado de severidad (conocido como respuesta gradual) a me- dida que la dosis de tóxico aumenta. La toxicidad se expresa en cantidad de tóxico generalmente expresada en miligramos (mg) por kilogramo (kg) de peso corporal, necesarios para producir un determinado efecto biológico. Dosis máxima atóxica: (nivel sin efecto, nivel máximo atóxico). Es la dosis máxima que no causa alteraciones hematológicas, bioquími- cas, clínicas o patológicas en el animal. La determinación del nivel máximo atóxico permite regular los niveles máximos permisibles de tóxicos en los alimentos de consumo humano y animal. Por ejemplo, en la mayoría de países del mundo se considera que el nivel máximo permisible de aflatoxina B1 en alimentos humanos es de 20 ppb. Dosis tóxica baja: es la dosis mínima que causa alguna alteración en el animal (hematológica, bioquímica, clínica o patológica) y que administrada al doble no causa letalidad. Dosis tóxica alta: es la dosis que produce alteraciones en el animal (he- matológicas, bioquímicas, clínicas o patológicas) y administrada al doble induce letalidad. Dosis letal (DL): es la dosis mínima causante de muerte en alguno de los animales expuestos al tóxico. El valor de la DL suele acompañarse del porcentaje de animales que mueren al recibir la dosis tóxica: DL1 es la dosis que matará al 1% de la población; DL50 es la dosis que matará al 50% de los animales y DL100 es la dosis que causará una mortalidad del 100%. Dosis letal 50 (DL50): dosis letal para el 50% de los animales expuestos bajo condiciones definidas (especie seleccionada, ruta y duración de la exposición). Los animales de laboratorio son las especies más comúnmente empleadas para determinar la DL50 de una sustancia química. La DL50 es un parámetro comúnmente utilizado para comparar la toxicidad de diferentes químicos bajo el concepto dosis- [30] introducción a la toxicología veterinaria respuesta. Proporciona respuestas cuantales (todo o nada) referidas a letalidad o supervivencia para un rango de dosis incrementadas regularmente. La DL50 aguda es la forma más utilizada de comparar la porción más reproducible (lineal) de la curva dosis-respuesta para diferentes tóxicos bajo condiciones de exposición definidas. El valor de DL50 se obtiene con base en los efectos de dosis sucesivamente mayores de tóxico, espaciadas a intervalos logarítmicos o aritméti- cos (figura 2.1). Para calcular la DL50 de una sustancia en una especie determinada se emplean veinte o más individuos, lo cual limita su determinación en animales de importancia económica. Al graficar la respuesta de porcentaje de letalidad en una población, frente a dosis incrementales de una sustancia, se obtiene una gráfica sigmoidea (figura 2.1). Sin embargo, puede lograrse una gráfica lineal a través de transformaciones matemáticas tipo probit. La DL50 también se conoce como dosis letal media. FIGURA 2.1. Curva dosis-respuesta del diclorvós (un insecticida organofosforado) en ratones, graficada en papel semi-logarítmico. La respuesta (porcentaje de mortalidad, escala aritmética) está graficada contra el logaritmo de la dosis en mg/kg. La DL50 es de 133 mg/kg (flechas). Dosis efectiva 50 (DE50): es la dosis de un fármaco que produce un efec- to deseado en la mitad de la población. El índice terapéutico (IT) se define como la relación entre la DL50 y la DE50: 50 50 DE DLIT Po rc en ta je d e m or ta lid ad Log Dosis –mg/kg 100 80 60 40 20 20 40 80 120 200 300 400 definiciones y terminología toxicológica [31] Margen de seguridad estándar: es un parámetro mucho más conserva- dor que el IT y corresponde a la relación entre la DL1 y la DE99. Intoxicación aguda: expresa los efectos de una sola dosis o de varias dosis administradas durante un período de 24 horas. Los efectos tóxicos pueden persistir durante varios días e incluso semanas. Intoxicación sub-aguda: se refiere a exposiciones repetidas y efectos observados durante 30 días o menos. Intoxicación sub-crónica: es el estudio de la exposición y efectos produ- cidos durante uno a tres meses (30-90 días). Estudios de tres meses de duración se consideran adecuados para expresar todas las formas de toxicosis, excepto los efectos carcinogénicos y multigeneraciona- les (reproductivos). Intoxicación crónica: efectos producidos por la exposición a un tóxi- co durante tres o más meses (=90 días). Los compuestos que se metabolizan rápidamente tienen una DL50 crónica similar a la DL50 aguda, debido a que la rápida excreción evita la acumulación en el organismo. Por otra parte, la exposición prolongada puede permitir al animal desarrollar tolerancia al tóxico de manera que la dosis requerida para inducir letalidad se aumenta después de exposiciones repetidas . Este fenómeno generalmente se debe a un metabolismo más rápido del tóxico. La relación entre la DL50 aguda y la DL50 crónica se denomina factor de cronicidad. Los compuestos que presentan efectos acumulativos tienen un factor de cronicidad elevado. Cuando el factor es cercano a la unidad, indica que el com- puesto se metaboliza rápidamente, y si el valor está muy por debajo de la unidad, indica que el compuesto genera tolerancia. La tabla 2.1 compara los factores de cronicidad de la warfarina, la cafeína y el KCN (cianuro de potasio) en ratas. TABLA 2.1. Factores de cronicidad de la warfarina, la cafeína y el KCN en ratas. Compuesto DL50 aguda (mg/kg) DL50 90 días (mg/kg) Factor de cronicidad Warfarina 1.6 0.077 20.8 Cafeína 192 150 1.3 KCN 10 250 0.04 [32] introducción a la toxicología veterinaria Riesgo: el riesgo se refiere a la probabilidad de que un tóxico pueda ocasionar efectos adversos bajo determinadas condiciones de uso. Debe hacerse una clara distinción entre la toxicidad (definida anteriormente) y el riesgo toxicológico. La toxicidad de un com- puesto es totalmente independiente del riesgo de que produzca una intoxicación. Una sustancia puede ser extremadamente tóxica, pero si la probabilidad de exposición a ésta es mínima, entonces su riesgo de producir intoxicación será muy bajo. Por el contrario, un compuesto de baja toxicidad puede ser peligroso si se emplea ex- tensivamente o de manera descuidada. Por ejemplo, la monensina es mucho más tóxica que la urea; sin embargo, el nivel de uso de la monensina es mucho menor que el de la urea (tabla 2.2). La relación indica que hay mayor riesgo de que se presente una toxicosis con urea que con monensina. TABLA 2.2 Riesgo de toxicosis por urea y por monensina en bovinos según nivel de uso. Químico Toxicidad Nivel de uso Relación de Riesgo Urea 300 mg/kg 100 mg/kg 3:1 Monensina 20 mg/kg 1 mg/kg 20:1 Clasificación de los tóxicos de acuerdo con su toxicidad relativa Con el fin de facilitar la clasificación de los tóxicos se ha sugerido el uso de rangos que los agrupan en categorías toxicológicas de acuerdo con su toxicidad. Por ejemplo, todos los compuestos que presenten toxicidad aguda o crónica de 1 mg/kg o menor se consideran extremadamente tóxicos, mientras que los compuestos con toxicidades entre 1 y 50 mg/kg son considerados como altamente tóxicos. La clasificación de los tóxicos según su toxicidad relativa, empleada en toxicología veterinaria, se muestra en la tabla 2.3. En Colombia, el Ministerio de Protección Social establece, para pla- guicidas, diferentes categorías toxicológicas de acuerdo con la DL50 en ratas, según el Decreto 1843 de 1991. La etiqueta de estos productos debe tener una banda de color que identifique el envase, tal como se indica en la tabla 2.4. definiciones y terminología toxicológica [33] TABLA 2.3. Clasificación de los tóxicos de acuerdo con su toxicidad relativa. Categoría Toxicidad Ejemplos Extremadamente tóxico < 1 mg/kg Estricnina en caninos (0.75 mg/kg), 1080 en caninos Altamente tóxico 1-50 mg/kg Cianuro (2.0-2.3 mg/kg) Talio (15-25 mg/kg) 1080en ratón (8 mg/kg) Moderadamente tóxico 50-500 mg/kg Plomo en la mayoría de especies Ligeramente tóxico 0.5-5 g/kg Urea en rumiantes (1 g/kg) Prácticamente atóxico 5-15 g/kg Biuret en rumiantes (8 g/kg) Relativamente inocuo > 15 g/kg TABLA 2.4. Categorías toxicológicas para plaguicidas regulados en Colombia. Categoría toxicológica Clasificación Color de la etiqueta I Extremadamente tóxico Rojo II Altamente tóxico Amarillo III Medianamente tóxico Azul IV Ligeramente tóxico Verde Otra clasificación vigente en la actualidad, basada en la toxicidad relativa de los productos, es la recomendada por la Organización Mun- dial de Salud (OMS). Esta distingue entre productos sólidos y líquidos y a su vez entre exposición oral y dérmica en ratas (tabla 2.5). TABLA 2.5. Categorías toxicológicas de acuerdo con la DL50 para ratas (mg/kg) según la OMS. Categorías Oral Dérmica Sólidos Líquidos Sólidos Líquidos Ia. Extremadamente tóxico = 5 = 20 = 10 = 40 Ib. Altamente tóxico 5 - 50 20-200 10-100 40-400 II. Moderadamente tóxico 50-500 200-2000 100-1000 400-4000 III. Ligeramente tóxico >500 >2000 >1000 >4000 Factores que influyen en la toxicidad Existe una gran variedad de factores que pueden afectar la respues- ta toxicológica de un organismo. Entre estos se encuentran los propios del tóxico, los inherentes al ambiente y los biológicos. [34] introducción a la toxicología veterinaria Factores propios del tóxico Composición de la muestra: algunas sustancias pueden contener impu- rezas que las hacen más tóxicas, por ejemplo, herbicidas clorofenoxi contaminados con dioxinas. Solubilidad, ionización y polaridad: las sustancias químicas altamente liposolubles se absorben más fácilmente a través de las membranas celulares. Por el contrario, compuestos con grupos ionizables a pH fisiológico (aminas, carboxilos, sulfatos y fosfatos) son usualmente más solubles en agua y tienen menor probabilidad de cruzar mem- branas celulares. Compuestos no polares de bajo peso molecular se absorben más fácilmente que los de mayor peso. Efectos del vehículo y las formulaciones: el vehículo es el medio en el cual se diluye y transporta el químico o medicamento. Vehículos liposolubles pueden transportar sustancias químicas a través de membranas biológicas, afectando los niveles de toxicidad de los ingredientes activos. Asimismo, algunos vehículos pueden ser tóxi- cos per se, como por ejemplo el kerosene. Las formulaciones pueden afectar la tasa de retención del producto en el pelo y la piel o la tasa de absorción a través del intestino (es peligroso emplear formula- ciones de plaguicidas para plantas en animales). Factores propios del ambiente Temperatura ambiental: bajas temperaturas mejoran la biotransforma- ción; posiblemente porque la actividad metabólica se incrementa para mantener al animal caliente. Así mismo, la temperatura am- biental puede influir en la cantidad de alimento y agua ingeridos por el animal, alterando la exposición oral del tóxico. Presión atmosférica: la presión puede afectar la velocidad de las reaccio- nes químicas. Factores nutricionales y dietarios: puede ocurrir inactivación de sus- tancias químicas por componentes dietarios. Por ejemplo, el ácido fítico de las plantas puede quelar metales y minerales reduciendo su absorción; también, las deficiencias energéticas por inadecuada nutrición generan reducción en la actividad de las enzimas de bio- transformación. definiciones y terminología toxicológica [35] Factores biológicos Especie: las grandes diferencias en la DL50 del fluoracetato de sodio (1080) es el mejor ejemplo de la variación en susceptibilidad entre las dife- rentes especies animales (tabla 2.6). Sexo: la DL50 oral aguda del dieldrin, un insecticida organoclorado, es de 119 mg/kg en la rata macho mientras que en la hembra es de 213 mg/ kg. La diferencia en DL50 es de casi el doble, y se debe a las diferen- cias en el metabolismo hepático del dieldrin que se presentan entre cada sexo. Otro ejemplo lo constituyen las aflatoxinas, las cuales son dos veces más tóxicas para los machos que para las hembras, en la mayoría de las especies. Raza: el crotoxifós, un insecticida organofosforado, es más tóxico para bovinos Brahman que para Hereford, particularmente en los ma- chos. Edad: en general todos los animales jóvenes tienden a ser más suscepti- bles a los tóxicos que los adultos. Estado de salud: la ocurrencia simultánea de una enfermedad y una intoxicación puede afectar severamente la respuesta del organis- mo al tóxico. Por ejemplo, las enfermedades hepáticas hacen más lenta la biotransformación de la warfarina y a la vez hacen que esté disminuida la síntesis de los factores de coagulación; estos efectos hacen que se potencialice la acción del tóxico. De manera similar, enfermedades renales pueden causar una intoxicación en forma indirecta, si son administrados compuestos que se eliminan por vía renal. Esto puede suceder, por ejemplo, con los compuestos deriva- dos del ácido fenilarsónico (ácido arsanílico y arsenilato de sodio), los cuales son empleados como promotores de crecimiento en aves y cerdos a concentraciones de 50-500 ppm en el alimento. Variación biológica: es la variación en la respuesta a un tóxico entre ani- males de una misma especie, raza, sexo, edad y estado de salud; esta variación es causada por las diferencias en la expresión de las dife- rentes enzimas fase I, fase II y en los transportadores fase III de cada individuo en particular (ver capítulo 5). Un ejemplo de la variación biológica es la DL50: aunque se mantenga un grupo homogéneo de animales bajo las mismas condiciones de manejo y tratamiento, al administrarles la DL50 de un tóxico, la mitad de los animales morirá y la mitad sobrevivirá. [36] introducción a la toxicología veterinaria TABLA 2.6. Variación entre especies en la DL50 oral aguda de fluoracetato de sodio. Especie DL50 (mg/kg) Caninos 0.1 Felinos 0.2 Ovinos 0.25 Bovinos y equinos 0.4 Mono Rhesus 4 Mono araña 15 Rata noruega 2 Ratón casero 8 Rana 54 Sapo >500 Clasificación de los tóxicos en toxicología clínica La toxicología clínica estudia todos los aspectos relacionados con la sintomatología clínica, el diagnóstico y el tratamiento de las intoxica- ciones. Desde el punto de vista clínico, los tóxicos pueden clasificarse en los siguientes grupos: Plaguicidas: incluyendo los rodenticidas, insecticidas, herbicidas, fun- gicidas y antihelmínticos. Tóxicos inorgánicos: incluye metales pesados (plomo, cadmio, mercurio, talio), alcalinos (sodio), alcalino-térreos (calcio, berilio) y de transi- ción (cromo, níquel, manganeso, hierro, cobre), así como metaloides (arsénico, antimonio, selenio) y sales (NaCl, KCN, NaCN, NaNO2, NaNO3), entre los más relevantes. Tóxicos alimentarios: tanto de origen natural (micotoxinas, gosipol, taninos, etc.), como de origen sintético (aditivos, anticoccidiales, urea, promotores de crecimiento) o asociados al procesamiento de materias primas usadas en nutrición animal (por ejemplo, la formación de mollerosina por exceso de calentamiento de la harina de pescado). Plantas tóxicas: muchos grupos químicos presentes en plantas tóxicas pueden ocasionar toxicosis o efectos antinutricionales, incluyendo los alcaloides, glucósidos, oxalatos, inhibidores de proteasas, ter- penos, etc. definiciones y terminología toxicológica [37] Compuestos sintéticos y fármacos: incluye compuestos químicos de uso común, como limpiadores, desinfectantes, etc., así como todos los medicamentos de uso veterinario que usados inapropiadamente pueden causar intoxicaciones. Referencias C������, D. 2000. Toxicología, El Manual Moderno, Bogotá. O��������, G. D. 1996. The National Veterinary Medical Series for Independent Study: Toxicology, Williams & Wilkins, Philadelphia. O��������, G. D. 2001. “General Toxicologic Principles”, in Small Animal Toxicology, Peterson M. and Talco� P. (eds), Saunders Company, New York. O��������, G. D., C�����, T.L., B���, W. B., V�� G�����, G. A. 1985. Clinical and Diagnostic Veterinary Toxicology, 3a ed., Kendall Hunt Publishing Company, Dubuque, Iowa, USA. IPCS. The WHO Recommended Classification for Pesticides by Hazards and Gui- delines to Classification 2000-2002. 3 cálculos en toxicología [41] CAPÍTULO 3 Cálculos en toxicología El manejo adecuado de la información numérica es fundamental en cualquier ciencia médica. En toxicología, calcular concen- traciones y estimar dosis es esencial para la interpretación de datos que pretendan estimar una probable exposición o que provengan de análisis de laboratorio. En ciertas oportunidades se determina la probabilidad de una intoxicación clínica de acuerdo con el nivel de contaminación de la ración, relacionándolo con una dosis tóxica conocida. En algunas ocasio- nes el inapropiado manejo de los cálculos, bien sea al preparar raciones que incluyan aditivos alimenticios, o al momento de instaurar terapias farmacológicas, puede ser causa de intoxicación. Por lo tanto, hacer co- rrecto uso de los conocimientos matemáticos, además de brindar mayor información sobre el proceso tóxico, podría evitar intoxicaciones. Las dosis de los xenobióticos se calculan de acuerdo con estimados de peso corporal y consumo de alimento, que varían según la especie involucrada. La tabla 3.1 señala el consumo aproximado de alimento para diferentes especies animales. Adicionalmente, los cálculos en toxicología requieren familiaridad con el sistema métrico decimal. Las tablas 3.2 y 3.3 señalan las unidades métricas de peso y volumen de mayor uso y sus abreviaturas. Como se mencionó anteriormente, en toxicología veterinaria los cálculos son útiles para determinar la cantidad de un tóxico disuelto en el alimento o en el agua, para estimar la dosis del tóxico ingerida por el animal (toxicidad relativa) y además para preparar correctamente antí- dotos y soluciones de uso en el laboratorio. [42] introducción a la toxicología veterinaria TABLA 3.1. Consumo aproximado de alimento para diferentes animales domésticos*. Animal Consumo diario en materia seca (% de peso corporal) Gato Gatito 8.0 Adulto 4.0 Perro Cachorro 8.0 Adulto 3.0 Ganado de carne 350 kg 2.5 Finalización (600 kg) 1.5 Ganado de leche Hembra gestante 1.8 Hembra lactante 2.0 - 3.0 Oveja Hembra lactante 4.0 Hembra no lactante 2.5 Cordero 4.0 Cerdo Hembra lactante 3.0 - 4.0 En engorde (15 kg) 7.0 Finalización (70 kg) 4.5 Caballo Adulto 2.0 Potro 3.0 * Este consumo es solamente un estimado. Las cantidades varían ampliamente, dependiendo de la densi- dad del nutriente, la edad y el peso del animal, el ejercicio físico, el período de lactancia y la temperatura ambiental. El promedio en el consumo de agua es aproximadamente dos veces el alimento ingerido. TABLA 3.2. Unidades de peso comúnmente usadas según el sistema métrico decimal. Unidad Abreviatura Equivalente (g) Tonelada t 1 x 106 g Kilogramo kg 1 x 103 g Gramo g 1 x 100 g Miligramo mg 1 x 10-3 g Microgramo µg 1 x 10-6 g Nanogramo ng 1 x 10-9 g cálculos en toxicología [43] TABLA 3.3. Unidades de volumen comúnmente usadas, según el sistema métrico decimal. Unidad Abreviatura Equivalente (L) Litro L 1 x 100 L Mililitro mL 1 x 10-3 L Microlitro µL 1 x 10-6 L Presentación de los tóxicos Los tóxicos pueden estar presentes en una fase sólida; se hará enton- ces referencia a unidades peso/peso (p/p), es decir, peso del tóxico sobre peso del alimento en el que esté presente. También pueden estar en una fase líquida, en este caso el tóxico, en unidades de peso, está disuelto en el agua de bebida (si éste es el caso) estimada en unidades de volumen, refiriéndonos así a unidades peso/volumen (p/v). Forma de expresar las concentraciones de un tóxico Mientras que en análisis nutricionales los componentes por anali- zar se encuentran en concentraciones tan altas que pueden ser expresa- dos en términos de porcentaje (por ejemplo, la proteína cruda en granos como el maíz y el sorgo oscila entre el 6 y el 8%), la concentración de tóxicos presentes en alimentos, agua y tejidos animales usualmente es tan baja que debe ser expresada en términos de partes por millón, partes por billón e incluso partes por trillón. En muy pocas ocasiones es posible expresar la concentración de un tóxico en términos de porcentaje; como ejemplo están los niveles de nitratos en forrajes, con base en materia seca, que usualmente pueden expresarse en términos de porcentaje peso/peso (2-3%). Unidades peso/peso Partes por millón: por definición una parte por millón (ppm) equivale a una parte de X en un millón de partes de Y. Al emplear las unidades del sistema métrico decimal se puede decir que 1 ppm, en unidades p/p, es igual a 1 mg de X en 1.000.000 de mg de Y, lo cual es posible reducir a 1 mg/1.000 g y finalmente a 1 mg/kg. Además de mg/kg, ppm también puede expresarse como g/t, µg/g y ng/mg. [44] introducción a la toxicología veterinaria Partes por billón: una parte por billón (ppb) equivale a una parte de X en un billón (equivalente a mil millones) de partes de Y. Al emplear las unidades del sistema métrico decimal se puede decir que 1 ppb, en unidades p/p, es igual a 1 µg de X en 1.000.000.000 de µg de Y, lo cual es posible reducir a 1 µg/1.000.000 mg, posteriormente a 1 µg/1.000 g y finalmente a 1 µg/kg. Además de µg/kg, ppb también puede expresarse como ng/g y mg/t. Unidades peso volumen Generalmente se asume que la densidad del líquido en la que están disueltos los tóxicos es de 1 g/mL (cercana a la del agua), lo cual significa que 1 mL de agua pesa 1 g. Por lo tanto, gramos y mililitros son unidades equivalentes. Al expresar el tóxico en términos de porcentaje, se hace referencia a X g del tóxico en 100 mL de solución. Así mismo, la forma más común de expresar ppm y ppb en unidades p/v es mg/L y µg /L, respectivamente. Aplicaciones de los cálculos en toxicología Preparación adecuada de raciones con aditivos potencialmente tóxicos Ejemplo 1: ¿cómo preparar 8 toneladas de alimento para cerdos que contengan 100 ppm de monensina? 100 ppm equivalen a 100 g/t. Entonces: 100 g de monensina están presentes en 1 t X g de monensina estarán presentes en 8 t X = 800 g. Se deben añadir 800 g de monensina a 8 t de alimento, para lograr una concentración de 100 ppm. Determinación de la dosis tóxica o toxicidad relativa Ejemplo 2: si el nivel tóxico del compuesto X en el alimento es de 25 ppm, para un cerdo de 10 kg, ¿cuál es la toxicidad estimada del compuesto en términos cálculos en toxicología [45] de mg/kg? Se asume que el compuesto está uniformemente distribuido en el alimento, que el cerdo consume el 7% de su peso corporal y que la droga no disminuye el apetito. Concentración del tóxico en el alimento 25 mg/kg Cantidad de alimento consumido por el cerdo 0.7 kg Peso del animal 10 kg Al establecer la relación se tiene: 25 mg del tóxico están presentes en 1 kg de alimento X mg del tóxico estarán presentes en 0.7 kg de alimento X = (0.7 kg x 25 mg)/1 kg X = 17.5 mg Para determinar la toxicidad relativa se divide entre el peso corporal del animal: 17.5 mg/ 10 kg = 1.75 mg/kg Podría también hacerse uso de la siguiente fórmula que estima una dosis tóxica en mg/kg basándose en los niveles de un compuesto expre- sados como ppm en el alimento: mg del tóxico/kg peso vivo = (ppm en alimento) x (kg de alimento consumido) peso corporal en kg Preparación de antídotos Ejemplo 3: una vaca intoxicada con nitritos requiere que le sea suministrado el antídoto azul de metileno al 1% a razón de 10 mg/kg de peso. ¿Cuántos gramos de azul de metileno debe suministrársele al animal y cuántos mL de agua estéril se deben adicionar para preparar la solución requerida? El peso de la vaca es de 550 kg. Azul de metileno requerido por la vaca: 10 mg x 550 kg = 5.500 mg = 5.5 g Una solución al 1% significa: 1 g de azul de metileno 100 mL deagua. Entonces 5.5 g de azul de metileno X mL de agua. X = 550 mL de agua La vaca requiere de 5.5 g de azul de metileno, disueltos en 550 mL de agua. [46] introducción a la toxicología veterinaria Concentración de tóxicos en fluidos biológicos Ejemplo 4: usted manda analizar los niveles de plomo en sangre de un perro sospechoso de haber sufrido intoxicación con este metal. El laboratorio reporta una concentración de 0.08 ppb. ¿Cómo podría expresar esta concentración en términos de mg de plomo por dL de sangre? 0.08 ppb equivale a 0.08 µg/L 0.08 µg = 80 mg 1 L equivale a 10 dL, entonces 80 mg/10 dL = 8 mg/dL Ejercicios 1. Si la toxicidad del colecalciferol es de 2 mg/kg y la concentración del producto comercial usado como rodenticida es de 0.075%, ¿es tóxico un paquete de 50 gramos del producto para un perro de 15 kg que lo consumió en una sola toma? 2. Un bovino de 400 kg accidentalmente consume agua con un conteni- do de sal de 2.000 ppm; ¿qué cantidad de sal consumió este animal? (consumo de agua: 5% de peso corporal). 3. Se registran niveles de contaminación de un organofosforado en agua de 20 ppm. ¿Qué cantidad de organofosforado ha consumido un gato adulto de 3 kg que bebe de esta agua? (consumo de agua: 8% del peso corporal). Calcule la toxicidad relativa y emita un concepto frente a este caso si se considera que la toxicidad de los organofosfo- rados es de 1 a 20 mg/kg. 4. Una ración para cerdos de engorde contiene 500 gramos de un adi- tivo alimenticio por tonelada. ¿Cuál es aproximadamente la dosis diaria del aditivo para un cerdo que pesa 50 kg y consume 2 kg de alimento por día? 5. Un potrero de corte fue accidentalmente regado con un herbicida (ácido 2,4-diclorofenoxiacético) a razón de 2 galones (preparados al 20%) por hectárea. Se estima que el potrero tiene 8 toneladas de pasto por Ha para ser cortado. El peso promedio de las vacas que cálculos en toxicología [47] serán alimentadas con este forraje es de 500 kg. Si el consumo del forraje equivale al 8% del peso corporal de los bovinos, ¿cuál será la dosis del 2,4-D ingerida por los bovinos, si se decide permitir su consumo? Se supone una distribución homogénea del herbicida en el forraje. La dosis tóxica del 2,4 D en bovinos es de 200 mg/kg. Referencias O��������, G. D. 1996. The National Veterinary Medical Series for Independent Study: Toxicology, Williams & Wilkins, Philadelphia. O��������, G. D. 2001. “General Toxicologic Principles”, in Small Animal Toxicology, Peterson M. and Talco� P. (eds.), Saunders Company, New York, pp. 2-14. 4 fases de la acción tóxica [51] CAPÍTULO 4 Fases de la acción tóxica Un efecto toxicológico es el resultado de una serie compleja de procesos que comienzan cuando el animal entra en contacto con una sustancia tóxica. La interacción de un xenobiótico con un ser vivo consta de dos componentes: • El efecto del organismo sobre el compuesto. • El efecto del compuesto sobre el organismo. El efecto del organismo sobre el compuesto incluye la absorción, distribución, metabolismo y excreción del xenobiótico. Todos estos son factores importantes en el proceso tóxico, y en muchos de los casos se explican mediante reacciones de tipo bioquímico. El efecto del compuesto sobre el organismo es el resultado de la interacción del compuesto con componentes celulares y, a nivel molecular, con proteínas estructurales y otras macromoléculas, enzimas y receptores. La interacción del tóxico con los diferentes componentes celulares en los órganos y tejidos blancos de acción, determina el tipo de lesión y/o manifestación clínica de la in- toxicación. Con el fin de facilitar el estudio del movimiento de los tóxicos a través de los organismos vivos se ha conceptualizado que la interacción tóxico-ser vivo ocurre en tres fases, denominadas fase de exposición, fase toxicocinética y fase toxicodinámica. Fase de exposición Cuando un ser vivo entra en contacto con una sustancia se presenta algún efecto (benéfico o tóxico) solamente cuando la sustancia sea ab- sorbida (con excepción de los compuestos radioactivos). En general, sólo la fracción de la sustancia que se encuentra en forma disuelta (dispersa molecularmente) será absorbida por el organismo. [52] introducción a la toxicología veterinaria Teóricamente, la exposición a una sustancia tóxica puede darse en cualquier parte del cuerpo. Sin embargo, los sitios más comúnmente ex- puestos a tóxicos son el tracto gastrointestinal (TGI), la piel y los pulmones. Otras vías menos comunes de exposición a tóxicos son la ocular, nasal, bucal, sublingual, intramamaria, intravenosa, subcutánea, intraperito- neal, rectal, vaginal, intrasinovial y transplacentaria. Fase toxicocinética La toxicocinética es la descripción matemática de los cambios en el tiempo de la concentración de un tóxico en el organismo. Esta fase incluye todos los procesos que participan en la interacción entre la disponibilidad farmacéutica (dosis efectiva de un tóxico) y la concentración del tóxico en los diferentes compartimentos del organismo y en el órgano blanco. Los procesos de absorción, distribución, metabolismo y excreción de los tóxicos ocurren durante la fase toxicocinética. Absorción Las principales rutas de absorción de tóxicos son el tracto gastro intestinal (���) y, en menor grado, la piel y los pulmones. El intestino del- gado y los pulmones, debido a su gran superficie y abundante perfusión sanguínea, son particularmente efectivos en la absorción de tóxicos. Por el contrario, la piel intacta es una buena barrera para la mayoría de tóxi- cos a pesar de su gran superficie. Con excepción de la fagocitosis de par- tículas por los macrófagos pulmonares, únicamente tóxicos disueltos son absorbidos. La absorción implica el paso del tóxico del medio extracelular al interior de la célula, a través de la membrana celular (fig. 4.1) y puede ocurrir mediante diferentes procesos, como difusión simple, difusión facilitada, transporte activo, filtración, fagocitosis y pinocitosis. Difusión simple. Es la forma más simple y más común por medio de la cual las sustancias atraviesan la membrana celular. Consiste en el paso de moléculas de un sitio de alta concentración a uno de baja concentración (gradiente de concentración) y no requiere energía. Como ejemplo está el transporte de la mayoría de sustancias lipo- solubles no ionizadas. fases de la acción tóxica [53] Difusión facilitada. Es mediada por un transportador (un componente de la membrana celular misma) que moviliza la sustancia de un lado a otro de la membrana. La glucosa y otros monosacáridos son trans- portados de esta forma. Al igual que la difusión simple, no requiere energía pero difiere de la anterior en que a altas concentraciones del tóxico, el transporte se puede detener debido a la saturación del transportador. Transporte activo. Las células pueden mover e incluso almacenar sus- tancias en contra de un gradiente de concentración. Esta acción implica necesariamente un gasto de energía. Como ejemplo está el movimiento de iones (Na+, K+, etc.) llevado a cabo por las llamadas “bombas” (canales iónicos) localizadas en la membrana celular. Al igual que la difusión facilitada, requiere de la presencia de un transportador, pero a diferencia de la anterior, requiere energía. Como ejemplos de tóxicos que son absorbidos por sistemas espe- ciales de transporte activo, están el talio (absorbido por los sistemas de transporte de hierro) y el plomo (absorbido por los sistemas de transporte de calcio). FIGURA 4.1. Estructura de una membrana biológica. [54] introducción a la toxicología veterinaria Filtración. El agua y algunos iones y moléculas hidrofílicas de bajo peso molecular pueden desplazarse en respuesta a un gradiente de concentración a través de pequeños poros (<0.4 nm de diámetro) presentes en la membrana celular. Fagocitosis y pinocitosis. Material particulado y en solución puede ser llevado al interiorde la célula mediante la extrusión o invaginación de un área de la membrana celular. Requiere de gasto energético. Absorción gastrointestinal Los tóxicos que se absorben desde el ��� generalmente lo hacen por difusión simple a través de las membranas celulares del epitelio de la mucosa. Varios factores determinan el grado de absorción del tóxico, algunos de los cuales se discuten a continuación. Liposolubilidad. Debido a que las membranas celulares se componen principalmente de lípidos, la liposolubilidad de una sustancia determina su grado de difusión a través de la membrana celular. La liposolubilidad de una sustancia se mide por su coeficiente de partición (Cp) lípido/agua, el cual se determina midiendo la solubi- lidad relativa del compuesto en octanol/agua, aceite/agua o cloro- formo/agua. Un alto Cp indica alta liposolubilidad. Un ejemplo del efecto del Cp sobre la absorción en ��� se muestra en la tabla 4.1. El tiopental, que presenta un Cp de 100.0 es normalmente absorbido en un 46% mientras que se absorbe sólo un 4% del barbital (Cp = 0.7) administrado por vía oral. TABLA 4.1. Relación entre la absorción gástrica y el coeficiente de partición (Cp) de tres barbituratos con pKa similar. Barbiturato pKa Cp Absorción (%) Barbital 7.8 0.7 4 Secobarbital 7.9 23.3 30 Tiopental 7.6 100.0 46 Gradiente de concentración. El aumento del gradiente de concentración a través de la membrana celular aumenta la absorción. Por ejemplo, el agente quelante de iones metálicos ���� (ácido etilendiaminote- traacético) aumenta significativamente la absorción de plomo si es fases de la acción tóxica [55] administrado parenteralmente cuando el metal está aún en el ���. El ���� se une al plomo en la sangre a medida que el metal es ab- sorbido y disminuye los niveles sanguíneos de plomo libre, lo cual aumenta el gradiente de concentración del tóxico entre el intestino y la sangre. Por esta razón se contraindica el uso de agentes quelantes para tratar intoxicaciones con metales pesados si se sospecha que aún permanecen trazas del metal en el intestino. pH. Debido a su baja liposolubilidad los compuestos ionizados son po- bremente absorbidos en comparación con los mismos tóxicos en estado no ionizado. El grado de ionización está dado por el pH del medio circundante y el pKa del compuesto. Cuando el pH es igual al pKa, el 50% del compuesto está ionizado. Las sustancias no io- nizadas tienden a ser lipofílicas y atraviesan la membrana celular a una velocidad dependiente de su coeficiente de partición. Por el contrario, los iones son generalmente hidrofílicos y su movimiento depende del grado de disociación y liposolubilidad de la sustancia no ionizada. La importancia del pH en la absorción de tóxicos fue demostrada por Travell en 1940. Esta cirujana ligó el píloro de un gato para prevenir que el contenido gástrico entrara al duodeno y administró una dosis tóxica de estricnina. En el pH ácido del estó- mago, la estricnina (un alcaloide) está ionizada en su totalidad, es insoluble en lípidos y es incapaz de atravesar la pared estomacal, por lo cual el gato no mostró síntomas de intoxicación. Al aumentar el pH del estómago mediante la intubación de una solución alcalina, la estricnina revirtió a su forma liposoluble (no ionizada) y atravesó la mucosa gástrica, intoxicando al gato. NOTA: la absorción, tanto de ácidos como de bases, es mucho mayor en el intestino delgado que en el estómago, debido a la gran superficie del intestino (cien veces mayor que la del estómago) y a la mayor perfusión tisular (siete veces mayor en el intestino). Hidrosolubilidad y tamaño de partícula. Moléculas pequeñas e hidrosolu- bles son fácilmente absorbidas. Los animales recién nacidos tienen la capacidad de absorber moléculas relativamente grandes. Motilidad gastrointestinal y tiempo de vaciado gástrico. La disminución en la motilidad del intestino delgado tiende a aumentar la absorción, debido al mayor tiempo de contacto entre las células epiteliales in- testinales y el tóxico. Por el contrario, un tiempo elevado de vaciado [56] introducción a la toxicología veterinaria gástrico tiende a disminuir la absorción del tóxico. La presencia de alimento, especialmente grasas, tiende a disminuir el tiempo de vaciado gástrico. Integridad de la mucosa intestinal. El daño a la mucosa intestinal, que ocurre luego de la ingestión de tóxicos corrosivos o cáusticos, au- menta la absorción de compuestos debido a la pérdida de la barrera epitelial. Absorción dérmica En general las sustancias lipofílicas (insecticidas organoclorados y organofosforados, aminas orgánicas, solventes orgánicos, etc.) son bien absorbidas a través de la piel. Algunos compuestos como los fenoles y el ácido salicílico pueden causar keratolisis y penetrar fácilmente la piel. También dañan la piel y aumentan la absorción de tóxicos las soluciones concentradas de ácidos (nítrico, sulfúrico, clorhídrico) y bases (���, �a��). La absorción percutánea de tóxicos se aumenta cuando existe daño a la epidermis (separación del estrato córneo), hidratación excesiva de la piel (humedad), alta temperatura (a mayor temperatura mayor absorción) o cuando se aplican ciertos solventes como el dimetilsulfóxido, el cual in- crementa la solubilidad de los tóxicos. El pelaje de la mayoría de animales domésticos disminuye la absorción cutánea de los tóxicos al disminuir el contacto directo con la epidermis. Los surfactantes (detergentes) poseen acción limpiadora y en solución acuosa remueven sustancias, tanto hi- drofílicas como hidrofóbicas. Usados correctamente los surfactantes no dañan la superficie epitelial y sirven para remover tóxicos. La absorción de compuestos a través de la piel ocurre en dos fases conocidas como fase epidérmica y fase dérmica. Fase epidérmica. La epidermis, y en especial el estrato córneo, es la mayor barrera para la absorción percutánea (fig. 4.2). Esta capa de células queritinizadas y muertas es baja en contenido de agua (10-25%), no posee perfusión sanguínea y su pH es ácido (4.2 a 6.5). Los compues- tos no polares (liposolubles) se disuelven y difunden a través de la matriz lipídica del estrato córneo, mientras que los polares (hidro- solubles) se difunden a través de los filamentos proteicos del estrato córneo. La difusión de los compuestos no polares es proporcional a su solubilidad en lípidos e inversamente proporcional al peso molecular. Una vez absorbido a través del estrato córneo y las otras fases de la acción tóxica [57] capas de la epidermis, los tóxicos atraviesan rápidamente la dermis y van hacia los vasos linfáticos o a la circulación sistémica. Fase dérmica. En contraste con la epidermis, la dermis posee una mayor irrigación linfática y sanguínea, y por consiguiente es mayor el gra- diente de concentración entre el tejido y la sangre. Mientras mayor sea este gradiente de concentración mayor será la absorción. FIGURA 4.2. Estructura de la piel humana. Absorción pulmonar Debido a que aproximadamente igual cantidad de sangre es bom- beada por los ventrículos derecho e izquierdo durante la sístole, una misma cantidad de sangre circula a través de los pulmones y del resto del organismo en un momento dado. Esto significa que los pulmones están dentro de los órganos con mayor perfusión sanguínea, y por consiguiente tienen una gran capacidad de absorción de tóxicos. Tanto gases como partículas y líquidos en forma de aerosol pueden absorberse en los pulmones. Ep id er m is Estrato córneo Estrato granuloso Estrato espinoso Estrato germinativo D er m is Conductos sudoríparos Glándulas sebáceas Glándulas sudoríparas Vasos sanguíneos Tejido conectivo Grasa Folículo piloso Capilar Músculo [58] introducción a la toxicología veterinaria Absorción de gases. La mayoría de gases cruza fácilmente el epitelio alveolar (barrera aero-hemática) y se solubilizan en el plasma. Por esta razón, y debido a la gran superficie del epitelio alveolar, los gasesson absorbidos rápidamente. Sin embargo, si el gas absorbido no se une a componentes tisulares, será de nuevo excretado a través de los pulmones. Debido a esto, los anestésicos gaseosos son muy apropiados para una anestesia rápida y de acción corta ya que son rápidamente exhalados por los pulmones. El nivel de absorción de gases inhalados está determinado por la solubilidad del gas en la sangre. Gases altamente solubles en la sangre (con altos coeficientes de partición sangre: gas) son fácilmente solubilizados y sólo una pequeña porción del gas permanece en los alvéolos. Los gases con baja solubilidad en la sangre tienden a permanecer en los alvéolos y su absorción solamente aumentará al incrementar el flujo sanguíneo a los pulmones. Absorción de partículas. Las partículas mayores de 10 ìm usualmente se depositan en el lecho mucociliar, en la nasofaringe o en el árbol traqueobronquial. Estas partículas son evacuadas del sistema res- piratorio por el sistema mucociliar y son eliminadas con la tos, el estornudo, o pueden ser deglutidas. En este último caso la absorción ocurre en el ���. Las partículas más pequeñas (1-10 ìm) penetran profundamente en el sistema respiratorio y se precipitan en los bronquiolos y el epitelio alveolar, en donde no opera la limpieza mucociliar. Una vez allí, el tóxico puede disolverse gradualmente y difundirse a las células circundantes y por último a la sangre. En este caso la absorción es realizada directa- mente por el epitelio alveolar. Partículas aún más finas (<1 ìm) son atrapadas en las corrientes turbulentas del aire y luego son exhaladas. La carga de la partícula y su higroscopicidad determinan su tendencia a agregarse y a formar partí- culas de mayor tamaño; estos factores pueden, eventualmente, incidir en la deposición de partículas en los alvéolos. Existen factores fisiológicos que influyen en la cantidad de tóxico que puede ser absorbida por los pulmones, como la frecuencia y la pro- fundidad de la respiración. Estos factores dependen de la edad y especie animal, el tipo y condiciones de trabajo y la temperatura y humedad del ambiente. fases de la acción tóxica [59] Distribución La distribución implica la transferencia o paso de un tóxico (o fárma- co) de un sitio del cuerpo a otro. Una vez los compuestos son absorbidos en la sangre, se distribuyen a los diferentes órganos y tejidos, de acuerdo con la perfusión tisular. La acumulación del tóxico en un determinado tejido dependerá del grado de unión de éste a los diferentes componentes tisulares. La distribución de un tóxico es uno de los factores que determi- na el tipo y severidad de la respuesta toxicológica. Por ejemplo, el herbici- da paraquat produce necrosis de las células alveolares tipo II. El paraquat administrado intra-venosamente a ratas y conejos se distribuye prefe- rencialmente hacia los neumocitos tipo II y por consiguiente este patrón de distribución se considera importante en la toxicidad del compuesto. Otro ejemplo de la importancia del patrón de distribución de un tóxico en la respuesta toxicológica es el plomo. Luego de una exposición aguda a niveles altos de plomo, las concentraciones más altas son detectadas en sangre, hígado y riñones. La inhibición de la síntesis del grupo heme se observa durante este período de toxicidad aguda. A medida que pasa el tiempo, el plomo se redistribuye a los tejidos blandos y es incorporado a la matriz ósea. Una vez es depositado en la matriz de hidroxiapatita del hueso es incapaz de inhibir la síntesis del heme. Durante esta fase, la carga total del tóxico en el organismo puede ser alta, pero no se observan signos de intoxicación. La capacidad de algunos tejidos (grasa, hueso) de concentrar tóxicos disminuye la toxicidad de los compuestos que secuestran. Sin embargo, algunos factores fisiológicos pueden influir en la redistribución de los tóxicos desde sus lugares de almacenamiento. La lactancia, una inadecuada alimentación y cualquier factor que aumente la movilización de grasas, pueden aumentar los niveles sanguíneos de un tóxico que se encuentre almacenado en el tejido adiposo. De igual for- ma, la osteoporosis conlleva a la desmineralización del hueso con lo que el plomo que pueda estar secuestrado es liberado a la sangre y causará síntomas de intoxicación aguda. Los factores más importantes en el patrón de distribución de un tóxico son discutidos a continuación. Perfusión tisular. Un tóxico se distribuye más rápidamente en un tejido bien perfundido que en uno con pobre perfusión. El grado de perfu- sión varía significativamente entre los diferentes tejidos, siendo muy alto en los pulmones y muy pobre en el tejido graso (tabla 4.2). [60] introducción a la toxicología veterinaria TABLA 4.3. Ejemplos de perfusión sanguínea en órganos y tejido graso en humanos. Órgano/tejido Perfusión tisular (ml sangre/min/mg tejido) Pulmón 10.0 Riñón 4.0 Cerebro 0.5 Grasa 0.03 Capacidad del tóxico de atravesar membranas celulares e interactuar con macromoléculas. La distribución de un tóxico en un tejido depende de la capacidad de unirse o disolverse en los constituyentes tisu- lares. Al igual que durante la fase de absorción, la liposolubilidad y el grado de ionización del tóxico, son factores determinantes en su difusión a los diferentes tejidos. Para predecir la distribución de un tóxico se requiere conocer el tipo de interacciones que la sustancia tendrá con los constituyentes tisulares. La interacción física de los tóxicos a través de uniones covalentes y no covalentes a los constituyentes tisulares (receptores, membranas, proteínas, enzimas, etc.) es lo que ocasiona el efecto tóxico. Las propiedades físico-químicas de algunos tejidos hacen que ciertos tóxicos tien- dan a distribuirse en estos. Éste es el caso del cerebro, la glándula mamaria y tejido adiposo, cuyos altos contenidos de grasa favo- recen la distribución de compuestos altamente liposolubles. Por esta razón, sustancias con alta liposolubilidad (insecticidas orga- noclorados y organofosforados, dioxinas) tienden a acumularse y a permanecer en estos tejidos. Unión del tóxico a proteínas plasmáticas y componentes tisulares. El hígado y los riñones tienen una alta capacidad para concentrar sustancias tóxicas. Dos factores juegan un papel importante en este proceso de concentración: el transporte activo llevado a cabo por transportadores basolatelares específicos y la unión a proteí- nas tisulares como las glutatión sulfotransferasas (antiguamente llamadas “ligandinas”) de los hepatocitos o las metalotioneínas en hígado y riñón. El tejido óseo puede también unirse a ciertos tóxicos como el flúor y el plomo, los cuales incorpora en la matriz ósea como cristales de hidroxiapatita. Varias proteínas plasmáticas tienen la habilidad de unirse a tóxicos, algunas con gran afinidad. Compuestos ácidos tienden a unirse a la albúmina mientras que fases de la acción tóxica [61] los tóxicos básicos lo hacen a las lipoproteínas y a las glicoproteínas ácidas á1. Estas uniones son de tipo reversible y existe un equilibrio entre las formas ligadas y no ligadas. El grado de unión de un tóxi- co a las proteínas plasmáticas se expresa como la relación entre el tóxico unido y la concentración total del tóxico. Una relación de 0.9 o mayor, indica un alto grado de unión. La warfarina y el dicumarol tienden a unirse fuertemente a las proteínas plasmáticas y muestran relaciones de 0.95 y 0.99, respectivamente. Un alto grado de unión a las proteínas dificulta la eliminación del tóxico y únicamente la frac- ción no ligada puede atravesar membranas celulares e interactuar con el receptor o macromolécula a nivel celular. Las formas ligadas son incapaces de causar toxicidad pero constituyen un reservorio del tóxico. La hipoalbuminemia o la presencia de sustancias que compitan por los sitios de unión a las proteínas pueden aumentar el porcentaje de tóxico libre en el plasma, permitiendo una mayor distribución del tóxicoy un efecto tóxico más severo. Esto sucede por ejemplo en casos de uremia (hipoalbuminemia) o cuando se desplaza la warfarina por otra droga como la fenilbutazona, la cual compite por los sitios de unión a la albúmina y potencializa el efecto anticoagulante de la warfarina. Metabolismo El metabolismo o biotransformación de los tóxicos ocurre princi- palmente en el hígado y se lleva a cabo en dos fases llamadas I y II. Las principales enzimas responsables del metabolismo fase I y fase II se describen en mayor detalle en el capítulo 5. Metabolismo de la fase I: reacciones de degradación Las principales enzimas responsables de la fase I del metabolismo de xenobióticos se localizan en el retículo endoplásmico liso y pertenecen a la superfamilia de enzimas conocidas como Citocromo P-450 (CYP450). Aunque los hepatocitos son las células más importantes en la biotrans- formación de xenobióticos, enzimas responsables del metabolismo de tóxicos pueden estar presentes en otros órganos o tejidos (tabla 4.3). Los tejidos extrahepáticos más importantes en biotransformación son aque- llos que tienen que ver con la absorción y excreción de tóxicos como los pulmones, riñones, piel y tracto gastro intestinal (tabla 4.3). Las CYP450 [62] introducción a la toxicología veterinaria llevan a cabo reacciones de hidroxilación, cuyo objetivo final es formar metabolitos que contengan en su estructura grupos muy polares como por ejemplo: -OH, -COOH y -NH2. Estos grupos químicos no sólo impar- ten una gran hidrosolubilidad a los tóxicos sino que facilitan la reacción del tóxico con compuestos endógenos (reacciones fase II). TABLA 4.3. Órganos y células específicas con abundancia de citocromos P450. Órgano Célula(s). Hígado Células del parénquima (hepatocitos). Riñón Células de los túbulos proximales (segmento S3). Pulmón Células Clara, células tipo II, células nasales. Intestino Células de la mucosa. Piel Células epiteliales. Testículos Túbulos seminíferos, células de Sertoli. Metabolismo de la fase II: reacciones de conjugación El metabolismo de la fase II consiste en reacciones de conjugación, que conllevan a la formación de compuestos muy hidrosolubles, gene- ralmente ionizados a pH neutro, y por lo tanto fácilmente excretables a través del hígado (excreción biliar) o los riñones (orina). Las reacciones más importantes de esta fase son la conjugación con ácido glucurónico (para formar glucurónidos), con sulfato y con glutatión. El tipo de com- puesto formado y su peso molecular determinarán su ruta de excreción (tabla 4.4). TABLA 4.4. Principales vías de eliminación de conjugados en la rata. Conjugado Vía de excreción Transportador Glucurónidos p.m. <250: vía renal p.m. >350: vía biliar BSEP Sulfatos riñón Conjugados de glutatión bilis cMOAT Conjugados acetilados riñón Conjugados de aminoácidos riñón Mercapturatos riñón La biotransformación de xenobióticos generalmente lleva a la inacti- vación o detoxificación; sin embargo, algunos compuestos son activados por el metabolismo hepático, convirtiendo compuestos no tóxicos en fases de la acción tóxica [63] compuestos altamente tóxicos. Por ejemplo, el insecticida organofosfo- rado paratión es un débil inhibidor de las colinesterasas, y al ser oxidado por las enzimas microsomales hepáticas se convierte en paraoxón, el cual es un potente inhibidor de las colinesterasas. Este fenómeno se conoce como bioactivación. Eliminación o excreción En esta sección se describe únicamente la cinética de eliminación de los tóxicos. Las proteínas involucradas en la eliminación de tóxicos (transportadores fase III) se describen en detalle en el artículo de Díaz (2000) y en las referencias citadas en éste. Existen dos mecanismos ci- néticos de eliminación: de orden cero (velocidad constante) o de primer orden (exponencial). Cinética de orden cero. El organismo elimina una cantidad fija (constan- te) de tóxico por unidad de tiempo. Esto ocurre cuando el proceso de eliminación del tóxico está saturado, como cuando se saturan las enzimas encargadas del metabolismo del etanol, en los casos de intoxicación alcohólica. En general, las concentraciones de xe- nobióticos en el organismo son tan bajas que la cantidad de tóxico eliminada por unidad de tiempo dependerá de su concentración, y por consiguiente obedecerá a una cinética de primer orden. Cinética de primer orden. Es la más frecuente. El organismo elimina una fracción constante del tóxico por unidad de tiempo. Cuando un animal experimenta una intoxicación aguda, inicialmente eliminará una gran cantidad del tóxico, y a medida que disminuye la con- centración en el organismo, disminuye la cantidad eliminada. Por ejemplo, si el total de tóxico absorbido inicialmente fue de 100 mg y se precisaron 10 días para eliminar 50 mg, serán necesarios otros 10 días para eliminar 25 mg. En cada fracción de tiempo se eliminó un 50% del tóxico inicialmente presente. Este concepto es válido para compuestos que no tienden a acumularse y que se eliminan desde un compartimento corporal. El modelo matemático de eliminación es el siguiente: [64] introducción a la toxicología veterinaria Cr = Cie-kt, en donde: Cr = concentración residual. Ci = concentración inicial. e = base de los logaritmos naturales (2.72). k = constante de eliminación para un tejido, tóxico y especie en particular. t = tiempo (horas, días). La curva de eliminación de primer orden se ilustra en la figura 4.3: FIGURA 4.3. Curva de eliminación de un tóxico con cinética de primer orden. Vida media. Es la cantidad de tiempo necesaria para que la concentración inicial del tóxico descienda al 50%. Es muy importante determinar la vida media de sustancias potencialmente tóxicas para consumo humano, ya que de esta forma se puede determinar el tiempo de retiro del compuesto. Para calcular la vida media de un compuesto debe conocerse su constante de eliminación, la cual puede calcular- se fácilmente, como se ilustra en el siguiente ejemplo: • Si la concentración inicial del tóxico en el organismo es de 10 ppm y diez días más tarde este nivel ha descendido a 7 ppm, puede calcularse la constante de eliminación “k”, de la siguiente forma: Cr= Cie-kt 7 = 10 e-10k 0.7 = e-10k (N = bx = logbN = x) ln 0.7 = -10k (ln 0.7 = -0.3567) -0.3567 = -10k k = 0.036 C on ce nt ra ci ón d el tó xi co Tiempo fases de la acción tóxica [65] Una vez determinada la constante de eliminación del compuesto es muy sencillo determinar la vida media. • Si la concentración inicial era de 10 ppm, determinar el tiempo requerido para llegar a una concentración de 5 ppm (50% de la concentración inicial). Cr = Ci e-kt 5 = 10 e-0.036t 0.5 = e-0.036t (N = bx = logbN = x) ln 0.5 = -0.036t (ln 0.5 = -0.69315) -0.69315 = 0.036t t = 19.4 días Ejercicio: si el nivel residual debe ser de 0.5 ppm para que los animales sean aptos para consumo humano, ¿cuánto tiempo deberá pasar antes de sacrificar los animales si la concentración inicial del tóxico era de 10 ppm? Como se explicó anteriormente, el modelo más sencillo de eliminación sólo es aplicable a compuestos que no se acumulan y que se eliminan desde un solo compartimento. Para algunos compuestos, como los insecticidas organoclorados, debe emplearse un modelo de eliminación de dos compartimentos, mucho más complejo, que corresponde a la eliminación del compuesto desde la sangre y los depósitos grasos. Este modelo toma la siguiente forma: C = Ae-k1t + Be-k2t Este modelo asume que la eliminación del tóxico ocurre desde dos compartimentos y a velocidades diferentes. Por ejemplo, la ecuación para la excreción de dieldrin en leche de vaca es: C = 0.52 e-0.2t + 0.48 e-0.012t El primer término de la ecuación está asociado a un rápido descenso inicial en la concentración del organoclorado, seguido de un descenso más lento asociado al segundo término. La vida media asociada al primer término es de 3.5 días, mientras que para el segundo es de 57 días.Fase toxicodinámica La fase toxicodinámica comprende la interacción entre las moléculas del tóxico y los lugares específicos de su acción en el objeto biológico, es decir, los mecanismos bioquímicos de la acción tóxica. Un efecto toxico- lógico es el resultado de una serie de procesos, en general químicos, que surgen como respuesta a un estímulo. [66] introducción a la toxicología veterinaria El órgano blanco –órgano sobre el cual actúa el tóxico– y el órgano efec- tor –órgano donde se manifiesta el efecto tóxico– pueden ser diferentes. Por ejemplo, la estricnina actúa sobre las células del ��� (órgano blanco), pero el efecto tóxico se manifiesta como contracciones de la musculatura esquelética (órgano efector). A continuación se describen los principales procesos bioquímicos que son alterados por acción de los tóxicos. Interferencia con enzimas o sistemas enzimáticos Las enzimas son esenciales para todos los procesos bioquímicos de la vida y muchas sustancias tóxicas interactúan con ellas, afectando su función o inactivándolas. Inhibición irreversible de enzimas. El ejemplo clásico de inhibidores irreversibles de enzimas lo constituyen los insecticidas de tipo organofosforado, inhibidores de la acetilcolinesterasa (AChE) y otras esterasas. El grupo fosfato del insecticida reacciona de manera covalente con el sitio activo de la enzima e impide que ésta pueda unirse a su sustrato (acetilcolina) para hidrolizarlo en acetato y co- lina. Otros inhibidores enzimáticos menos selectivos son el As y los metales pesados Hg y Pb. Estos metales inhiben gran cantidad de enzimas, reaccionando en forma covalente con los grupos tiol (-SH) presentes en la estructura de la enzima, los cuales son indispensa- bles para la actividad enzimática. La administración de compuestos quelantes con grupos -SH (por ejemplo: BAL, British Anti-Lewisite) previene el efecto tóxico. Inhibición reversible de enzimas. Se produce por los llamados antimetaboli- tos, los cuales son sustancias químicamente similares a los sustratos normales de las enzimas, de manera que son reconocidas como “sustrato”, pero no son biotransformadas. Ejemplo: fumonisinas, las cuales son reconocidas erróneamente como sustrato de n-acil- transferasas. Desacoplamiento de reacciones bioquímicas. A este grupo pertenecen las sustancias que bloquean la síntesis de ��� (agentes desacopladores) que evitan que la energía de las reacciones bioquímicas sea almacenada como ��� y hacen que ésta se disipe en forma de calor. Ejemplos: el dinitrofenol, que fue usado para el tratamiento de la obesidad, y el herbicida ���� (dinitro-orto-cresol). fases de la acción tóxica [67] Síntesis letal. En este caso el tóxico es tan parecido al sustrato de la reac- ción bioquímica que es aceptado por la enzima e incorporado en un producto no funcional, que además actúa como inhibidor de alguna de las enzimas de la vía metabólica involucrada. El ejemplo clásico corresponde al fluoracetato sódico (1080), que es incorporado en el ciclo de Krebs (en lugar del ácido acético) al reaccionar con oxaloace- tato para formar ácido fluorocítrico en lugar de ácido cítrico. El ácido fluorocítrico, a su vez, inhibe la enzima aconitasa, responsable de la transformación del citrato en isocitrato. De esta manera se logra un total bloqueo al ciclo de Krebs, con la consecuente inhibición de la producción de energía a nivel celular. Secuestro de metales esenciales para funciones enzimáticas. Algunos sistemas enzimáticos (por ejemplo: citocromos) utilizan iones metálicos (Fe, Cu, Zn, etc) como cofactores. Los agentes quelantes secuestran los iones metálicos inhibiendo las enzimas. Los quelatos hidrofílicos, como el ���� y la penicilamina, ayudan a la excreción de metales tóxicos y son usados como antídotos de intoxicaciones. Por el contrario, los quelatos lipofílicos promueven el transporte de metales hacia el interior de las células y son muy tóxicos (por ejemplo: Dimetil-ditiocarbamato). Los ditiocarbamatos (acelerado- res de la vulcanización del hule) secuestran iones Cu++ e inactivan la enzima acetaldehído-deshidrogenasa. El bloqueo a esta enzima puede causar intoxicación por acetaldehído en humanos que hayan consumido etanol (fig. 4.4). Bloqueo del consumo de oxígeno. El ácido cianhídrico (���) y sus sales (cianuros sódico y potásico) y el ácido sul�ídrico (H2S) bloquean el complejo de citocromos a-a3 de la cadena de transporte de elec- trones, interrumpiendo la captación de O2. Esto se traduce en una anoxia histotóxica y muerte celular a pesar del adecuado suministro de O2 a los tejidos. FIGURA 4.4. Bloqueo enzimático producido por ditiocarbamatos. Etanol (CH3CH2OH) ↓ etanol deshidrogenasa Acetaldehído (CH3-CHO) ↓ acetaldehído deshidrogenasa (bloqueada por ditiocarbamatos) Acido acético (CH3COOH) [68] introducción a la toxicología veterinaria Bloqueo de la capacidad transportadora de O2 de la hemoglobina (Hb) Bloqueo del sitio de unión al O2. El monóxido de carbono, ��, se une a la Hb en el sitio donde normalmente debe unirse el O2. Esta unión es reversible pero el �� tiene una afinidad mucho mayor por la Hb que el O2 mismo, y a concentraciones relativamente bajas de �� en el aire inspirado una fracción elevada de la Hb se transforma en carbomonoxi-Hb (�� + Hb). En fumadores habituales un 5-10% de la Hb circula como carbomonoxi-Hb. Formación de metahemoglobina (MHb). La MHb es un producto de oxidación de la Hb incapaz de transportar O2. En la MHb el hierro que normalmente se encuentra en forma férrica (Fe2+) está en forma ferrosa (Fe3+). Existen varias sustancias meta-hemoglobinizantes, in- cluyendo las aminas aromáticas (anilina), los compuestos nitroaro- máticos (transformados en aminas aromáticas por el organismo), las sulfonamidas, la acetanilida, la antipirina, el ácido p-amino- salicílico, la nitrofurantoína, los compuestos diazo y los nitritos. Estos últimos son muy importantes en la toxicología veterinaria, particularmente en rumiantes. Hemólisis. El daño a la membrana de los eritrocitos (hemólisis) causa la salida de la Hb de la célula y la pérdida de su capacidad transpor- tadora de O2. Sustancias tensoactivas como las saponinas, algunas fitotoxinas como la ricina y la abrina, y algunos metales como el Cu, pueden causar hemólisis intravascular. Interferencia con las funciones generales de la célula Acción anestésica. El éter, halotano, ciclopropano y otros compuestos deprimen la actividad de las células de los mamíferos, animales inferiores y protozoarios. Se presume que esta acción es el resultado de la acumulación de estas sustancias lipófilas en las membranas celulares. La acumulación en membranas celulares afectaría los sistemas de transporte de O2 y glucosa, y por esto las células más susceptibles son las que se ven mayormente afectadas cuando la tensión de O2 y los niveles de glucosa bajan (las células del ���). Este mecanismo de acción se extiende a prácticamente todos los solven- tes orgánicos no polares, hidrocarburos derivados de la gasolina, fases de la acción tóxica [69] derivados volátiles del petróleo y derivados halogenados, los cuales son altamente liposolubles. Interferencia en la neurotransmisión. Algunos xenobióticos actúan blo- queando la transmisión del impulso nervioso entre neuronas en las sinapsis o entre una neurona y la célula efectora (sinapsis terminal). Como ejemplos de estos compuestos están los siguientes: - Curare: es un bloqueador de receptores colinérgicos en la placa motora neuromuscular. - Atropina: bloquea receptores colinérgicos en terminales nerviosas parasimpáticas (compuesto parasimpaticolítico). - Nicotina: interfiere en la transmisión de impulsos nerviosos en sinapsis ganglionares. Es usada como insecticida. Interferencia con la síntesis de proteínas La replicación del ���, la transcripción del ��� a ��� mensajero, o la traducción del mensaje a polipéptidos pueden verse afectados por sustancias tóxicas. Por ejemplo, elmetabolito activo de la aflatoxina B1, la aflatoxina B1-8,9-epóxido puede unirse mediante un enlace covalente a los residuos guanil del ���, ocasionando daño a la molécula (alquila- ción simple). Los alquilantes polivalentes (alcaloides pirrolizidínicos, ver capítulo 10) pueden reaccionar con bases del ��� formando puentes que impiden la separación de la cadena y la división celular. A nivel histológico se observa fragmentación y ramificación de los cromosomas durante la replicación. Ciertos compuestos citostáticos (“radiomiméti- cos”), como la rifampicina, inhiben la ��� polimerasa e interfieren en la transcripción. La puromicina tiene una estructura química muy parecida a la porción del t-��� de la tirosina, que reacciona con el m-��� durante la síntesis proteica. De esta forma, se incorpora a las cadenas peptídicas en formación y bloquea la adición del siguiente aminoácido, con lo que se interrumpe la síntesis proteica. Las micotoxinas del grupo de los tri- coticenos bloquean la enzima peptidil-transferasa y causan inhibición en la síntesis de proteínas. En general, los compuestos que interfieren de alguna manera con la síntesis de proteínas pueden presentar acción citostática, inmunodepre- sora, mutágenica y/o carcinogénica. Estos compuestos presentan gran importancia toxicológica en salud pública. [70] introducción a la toxicología veterinaria Reacciones de fotosensibilización Se presenta cuando la piel poco pigmentada reacciona a la luz �� del Sol debido a la presencia de un compuesto fotodinámico en la piel. El compuesto fotodinámico absorbe energía electromagnética, alcanzando un estado de mayor energía, y cuando regresa a su estado basal libera la energía en forma de fotones que inician reacciones químicas en la piel. El daño al tejido ocurre debido a la producción de especies reactivas del oxígeno (radicales libres). Fotosensibilización primaria. El compuesto fotodinámico es absorbido a través de la piel o del tracto digestivo y se distribuye a la epider- mis. Ejemplos de sustancias fotodinámicas primarias incluyen la hipericina del Hypericum perforatum, la fagopirina del Fagopyrium esculentum, los psoralenos (furocumarinas) del Ammi majus y otras umbelíferas. Además de las sustancias fotosensibilizantes presentes en las mencionadas plantas la esporodesmina, producida en ciertos pastos por el hongo Pithomyces chartarum, tiene la misma acción. Fotosensibilización secundaria a daño hepático. Esta es la forma más común de fotosensibilización que se presenta en ganado bovino. Cualquier tipo de sustancia hepatotóxica primaria (alcaloides pirrolizidínicos, lantadenos, aflatoxinas, tetracloruro de carbono, etc.) puede ocasionar daño a los hepatocitos y afectar su funciona- miento normal. El agente fotosensibilizante es la filoeritrina (una porfirina) que se acumula en el plasma, debido a la deficiente ex- creción hepatobiliar. La filoeritrina (no la clorofila) es normalmente absorbida en la circulación sistémica pero en condiciones normales es rápidamente eliminada vía biliar. La deficiente eliminación debida a una disfunción hepática o a lesiones en los conductos bi- liares hace que se aumenten los niveles circulantes de filoeritrina y que llegue a la piel en donde absorbe y libera energía, produciendo una reacción fototóxica. fases de la acción tóxica [71] Referencias A����, M. O., D����, J. and K�������, C. D. (eds.) 1991. Casare� and Doull’s Toxicology. The Basic Science of Poisons, 4a ed., McGraw Hill, New York. A�����, E. J., S������, A. M. and O�������, J. 1976. Introduction to General Toxicology, Academic Press, New York. D���, G. J. 2000. “Basolateral and Canalicular Transport of Xenobiotics in the Hepa- tocyte: a Review”, Cytotechnology, 34:225-235. G�����, G. F. and M������, T. J. 1988. “The Toxicokinetic Approach to Antidotal Therapy: Toxicant Absorption and Distribution”, Compendium on Continuing Education, 10:1058-1064. P�����, D. 1983. Toxicology. Series Studies in Biology No. 149, Edward Arnold Publis- hers Limited, London. O��������, G. D., C�����, T. L., B���, W. B. and V�� G�����, G. A. 1985. Clinical and Diagnostic Veterinary Toxicology, 3a ed., Kendall/Hunt Publishing Company, Dubuque, Iowa. T�������, J. A. 1991. Principles of Biochemical Toxicology, 2a ed., Taylor and Francis, London. metabolismo fase i y fase ii: enzimas responsables 5 [75] CAPÍTULO 5 Metabolismo fase I y fase II: enzimas responsables Metabolismo Fase I: citocromos P450 Las enzimas citocromo P450 (CYP450) son una superfamilia de enzi- mas (más de 1000 secuencias de genes de CYP450 conocidos actualmente) presentes tanto en organismos superiores como en microorganismos. El nombre de éstas se deriva del hecho de ser citocromos (hemoproteínas cuya principal función es transportar electrones ó H+, gracias al cambio de valencia reversible del hierro hemo) y de que la forma reducida de la enzima, unida a una molécula de monóxido de carbono (��), presenta un máximo de absorción a los 450 nm (Omura y Sato, 1964). Las CYP450 son las únicas citocromos extramitocondriales; se hallan asociadas a membranas y pueden aislarse en lo que se denomina la “fracción micro- somal” o “microsomas”. Los microsomas son estructuras vesiculares que se forman a partir del retículo endoplásmico liso (���) cuando la célula es homogenizada y sus fracciones subcelulares aisladas, mediante cen- trifugación diferencial (figura 5.1). Los microsomas conservan la mayor parte de la actividad enzi- mática (Timbrell, 1992) y pueden ser utilizados como fuente cruda de enzimas CYP450 en ensayos in vitro. Colectivamente, las enzimas CYP450 participan en una gran variedad de reacciones de oxidación de xeno- bióticos y compuestos endógenos liposolubles, dentro de las cuales se incluyen la hidroxilación de átomos de carbono alifáticos y aromáticos, la epoxidación de dobles enlaces, la oxigenación y N-hidroxilación de heteroátomos (S- y N-oxidación), la dealquilación de heteroátomos (O-, S- y N), la transferencia de grupos oxidados, el rompimiento de enlaces éster y la deshidrogenación (Parkinson, 1996). La mayoría de reacciones comienza con la transferencia de electrones del NAD(P)H, ya sea a una �����-citocromo P450 reductasa (sistemas microsomales) o a una ferre- [76] introducción a la toxicología veterinaria doxin-reductasa y a una proteína con hierro no heme (sistemas mitocon- driales y bacterianos), para, finalmente, transferirlos a la CYP450. Esta transferencia de electrones conduce a la activación reductiva de oxígeno molecular, seguida de la inserción de un átomo de oxígeno en el sustrato (Porter y Coon, 1991). La estequiometría de la reacción de hidroxilación catalizada por la CYP450 puede representarse de la siguiente manera (�� corresponde al sustrato): RH + O2 + NAPDH + H+ → ROH + H2O + NADP+ FIGURA 5.1. Fracciones subcelulares obtenidas por centrifugación diferencial. Tejido homogenizado (1:4) 9,000 g por 30 min Células intactas, núcleos, mitocondrias S9 (sobrenadante post-mitocondrial): - Citosol y otras proteínas solubles - Microsomas 100,000 g por 60 min Citosol Microsomas La mayor concentración de enzimas CYP450 involucradas en la bio- transformación de xenobióticos se encuentra en el ��� de los hepatocitos, pero estas enzimas pueden estar presentes prácticamente en cualquier tejido (Parkinson, 1996). La estructura de la citocromo P450cam es básicamente un prisma triangular, con 12 segmentos helicoidales que involucran casi la mitad de los residuos de aminoácidos (figura 5.2). El grupo prostético heme se encuentra encerrado entre dos hélices denominadas L e I. La hélice L se halla en el lado proximal (lado del grupo tiolato que se une al grupo heme). La hélice I se halla en el lado distal (lado que sustenta el grupo que se une al sustrato). El grupo heme se conserva en su lugar gracias a contactos hidrofóbicos (no covalentes) con las dos hélices, a enlaces de hidrógeno (entre los residuos negativamentecargados de ácido propióni- co del heme y los residuos básicos Arg299 e His355), y a la unión del grupo tiolato del residuo Cys357 con el hierro del grupo heme. Este residuo está ubicado justo antes del N-terminal de la hélice proximal (L) y está pre- sente en todas las secuencias correspondientes a enzimas CYP450 (así metabolismo fase i y fase ii: enzimas responsables [77] como muchos de los residuos cercanos a este) (Josephy, 1997). La figura 5.3 muestra el ciclo catalítico de la CYP450 y el residuo Cys357 FIGURA 5.2. Estructura tridimensional de la P450cam CYP450 de la Pseudomona putida. FIGURA 5.3. Mecanismo catalítico de las citocromos P450 oxidasas. Tomado de Werck-Reichhart, D. Cytochromes P450: a success story. Genome Biology 2000, 1 (6):reviews3003.1- 3003.9. Disponible en: http://genomebiology.com/2000/1/6/reviews/3003. [78] introducción a la toxicología veterinaria Familias de enzimas Los microsomas hepáticos humanos pueden contener 16 familias diferentes de CYP450 con capacidad de biotransformar xenobióticos y/o compuestos endógenos. Las enzimas microsomales hepáticas involucra- das en la biotransformación de xenobióticos pertenecen a tres familias principales de genes, denominadas: CYP1, CYP2 y CYP3 (Parkinson, 1996). La abundancia relativa de las CYP450 responsables del metabolis- mo de xenobióticos en hígado humano fue investigada por Shimada et al. (1994). La enzima más abundante es la CYP3A4, que corresponde al 28.8% del total, en tanto que las CYP1A2, 2E1, 2A6 y 2D6 conforman el 12.7%, 6.6%, 4.0% y 1.4% del total, respectivamente (Shimada et al., 1994). La secuencia de aminoácidos de cientos de enzimas CYP450 ha sido determinada y estas secuencias han servido de base para establecer una nomenclatura sistemática, basada en homología estructural (Nelson et al., 1996). En general, enzimas con menos de un 40% de identidad de secuencia son asignadas a diferentes familias de genes (familias 1, 2, 3, 4, etc.). Enzimas que son idénticas en un 40-55% son asignadas a la misma familia (e.g. 2A, 2B, 2C, 2D, 2E, etc.), mientras que las enzimas de ma- míferos que tienen identidad superior al 55% son asignadas a la misma subfamilia (e.g. 2A1, 2A2, 2A3, etc.) (Nelson et al., 1996). En humanos se han reportado las siguientes 16 familias de genes CYP450: - CYP1: metabolismo de xenobióticos (2 subfamilias, 3 miembros). - CYP2: metabolismo de xenobióticos y esteroides (9 subfamilias, 23 miembros). - CYP3: metabolismo de xenobióticos (1 subfamilia, 5 miembros). - CYP4: metabolismo de ácido araquidónico o de ácidos grasos (3 subfamilias, 5 miembros). - CYP5: tromboxano A2 sintetesa (1 subfamilia, 1 miembro). - CYP7A: biosíntesis de ácidos biliares: del núcleo esteroidal (2 subfa- milias, 2 miembros). - CYP7B: 7á-hidroxilasa específica del cerebro. - CYP8A: prostaciclina sintetasa (1 subfamilia, 1 miembro). - CYP8B: biosíntesis de ácidos biliares (1 subfamilia, 1 miembro). - CYP11: biosíntesis de esteroides (2 subfamilias, 3 miembros). metabolismo fase i y fase ii: enzimas responsables [79] - CYP17: biosíntesis de esteroides: 17á-hidroxilasa (1 subfamilia, 1 miembro). - CYP19: biosíntesis de esteroides: aromatasa, sintetiza estrógeno (1 subfamilia, 1 miembro). - CYP21: biosíntesis de esteroides (1 subfamilia, 2 miembros). - CYP24: degradación de la vitamina D (1 subfamilia, 1 miembro). - CYP26: ácido reinoico hidroxilasa: importante en el desarrollo (1 subfamilia, 1 miembro). - CYP27A: biosíntesis de ácidos grasos (2 subfamilias, 2 miembros). - CYP27B: síntesis de vitamina D3 activa: 1-á-hidroxilasa (1 subfami- lia, 1 miembro). - CYP46: actividad desconocida (1 subfamilia, 1 miembro). - CYP51: biosíntesis de colesterol: lanosterol 14-á-demetilasa (1 subfa- milia, 3 miembros). Los siguientes sitios de Internet contienen información acerca de la estructura, clasificación y genética de las citocromos P450: - h�p://drnelson.utmem.edu/CytochromeP450.html- - www.icgeb.trieste.it. Metabolismo fase II En general, las enzimas de la fase II facilitan la excreción de xeno- bióticos, introduciendo un radical hidrofílico (e.g. sulfuril, glucuronil o glutationil) a grupos funcionales adicionados o expuestos durante el metabolismo fase I. La mayoría de enzimas de biotransformación Fase II se localizan en el citosol, con excepción de las ���-glucuronosil-transfe- rasas, las cuales son microsomales. Las reacciones fase II generalmente ocurren a mayor velocidad que las reacciones fase I (catalizadas gene- ralmente por CYP450); de esta manera la velocidad de eliminación de xenobióticos, cuya excreción depende de la biotransformación a través de CYP450 seguida de conjugación fase II, está generalmente determinada por la primera reacción (Parkinson, 1996). Las principales reacciones de conjugación ocurren con el ácido glucurónico, sulfato y glutatión (���). [80] introducción a la toxicología veterinaria Glucuronidación Cuantitativamente la glucuronidación es la principal vía de bio- transformación de xenobióticos en mamíferos, excepto en miembros de la familia de los felinos (gatos, leones, linces y civetas –gato de algalia–) (Parkinson, 1996). Las uridin-difosfo (���) glucuronosil-transferasas son una familia de enzimas capaces de transferir el azúcar nucleótido del ácido uridin 5’-glucurónico (���-��) a muchos compuestos endógenos y exógenos que contienen grupos funcionales nucleofílicos de oxígeno, nitrógeno, azufre y carbono (Clarke y Burchell, 1994). De esta manera, los sustratos para glucuronidación incluyen compuestos como alcoholes alifáticos y fenoles (para formar éteres O-glucurónidos), ácidos carboxí- licos (para formar ésteres O-glucurónidos), aminas aromáticas y alifá- ticas primarias y secundarias (para formar N-glucurónidos) y grupos tiol libres (para formar S-glucurónidos). Algunos compuestos (e.g. la fenilbutazona) contienen átomos de carbono que son lo suficientemente nucleofílicos para formar C-glucurónidos (Josephy, 1997). La reacción general catalizada por las UDP-GT es: R–OH + UDP-GA → R–O–GA + UDP El ���-�� es sintentizado a partir de ���-glucosa, la cual a su vez es sintetizada de la glucosa-1-fosfato; el enlace entre el ácido glucurónico y el ��� tiene una configuración α, pero durante la reacción de conjugación ocurre inversión de la configuración del carbono asimétrico y el glicósi- do final tiene configuración β (Josephy, 1997). Contrariamente a lo que ocurre con el cofactor ���-��, los glucurónidos sí constituyen sustratos apropiados para la enzima β-glucuronidasa, que está presente en la microflora intestinal. Con la hidrólisis causada por la β-glucuronidasa se libera la aglicona, que puede ser reabsorbida y entrar en recirculación entero-hepática (Parkinson, 1996). Los cerdos, por ejemplo, presentan una gran acitividad β-glucuronidasa en su contenido intestinal (Spoelstra, 1977), lo cual ocasiona que los glucurónidos excretados en la bilis puedan ser hidrolizados para formar el compuesto original, el cual puede entrar en recirculación entero-hepática y prolongar su vida media. Las ���-�� son enzimas asociadas a membranas, con un valor de Mr de ~ 50-60 kDa, ancladas a la membrana del ��� mediante una hélice hi- drofóbica sencilla, localizada cerca del extremo carboxilo de la proteína. Se cree que la mayor parte de la proteína, incluyendo el sitio activo, se encuentra orientado hacia el lumen del ��� (Seppen et al., 1996; Josephy, metabolismo fase i y fase ii: enzimas responsables [81] 1997). La secuencia de aminoácidos que determina la especificidad en el sustrato está localizada en la segunda mitad terminal del extremo amino del polipéptido ���-�� (Mackenzie, 1990). La orientación lumi- nal del sitio activo de la ���-�� ha llevado a varios grupos a postular la existencia de por lo menos dos transportadores de membrana, uno de los cuales transportaría el cofactor ���-�� desde el citosol hacia el interior del ��� y otro más, cuya función consistiría en transportar el productode la glucuronidación desde el lumen del ��� hacia el citosol (Clarke y Burchell, 1994). Las ���-�� humanas pertenecen a tres familias de genes: ���1, ���2 y ���8 (Mackenzie et al., 1997). Los miembros de la familia ���1 se originan del mismo gen, mediante empalme alternado (Ri�er et al., 1992), mientras los miembros de la familia ���2 son producidos por di- ferentes genes; la familia ���8 contiene un solo miembro, el cual codifica la enzima que conjuga galactosa con ceramida (Mackenzie et al., 1997). Dentro de la familia ���1 se encuentran enzimas capaces de glucuroni- dar bilirrubina, quinonas y fenoles, incluyendo los producidos a partir de hidrocarburos aromáticos policíclicos. La subfamilia ���2� contiene genes inducibles por fenobarbital y también genes expresados de mane- ra constitutiva, los cuales están involucrados en la glucuronidación de esteroides endógenos y aminas biogénicas. En ratas, la ���1�6 es la principal enzima ���-�� inducible mediante el 3-metilcolantreno, mientras que la contraparte humana de esta enzima (su ortólogo) es la glucuronida acetaminofén. La glucuronidación de acetaminofén en los humanos se aumenta en fumadores y con el con- sumo de repollo y col de Bruselas, lo cual sugiere que la ���1�6, al igual que su ortólogo de la rata, es inducible por los hidrocarburos policíclicos aromáticos y el indol-3-carbinol (Bock et al., 1994). Los glucurónidos pueden ser excretados en la orina o en la bilis dependiendo del peso molecular de la aglicona (compuesto original o metabolito fase I). En la rata, los glucurónidos son, por lo general, excreta- dos por la orina cuando su peso molecular es inferior a 250, mientras que glucurónidos de moléculas más grandes (agliconas con peso molecular >350) son excretados preferencialmente por la bilis (Parkinson, 1996). Conjugación con sulfatos La conjugación con sulfatos (sulfatación) es una de las reacciones de conjugación más importantes en el metabolismo de una gran va- [82] introducción a la toxicología veterinaria riedad de compuestos tanto endógenos como exógenos (xenobióticos). Las sulfotransferasas catalizan la transferencia del grupo sulfonato del 3’-fosfoadenosin-5’-fosfosulfato (����) a un compuesto aceptor para formar, ya sea un éster sulfato o un sulfamato (Mulder, 1981). La fenol- sulfotransferasa (���, �. �. 2.8.2.1) es la más importante de las enzimas que catalizan la sulfatación de medicamentos (Weinshilboum, 1990). La ��� es una enzima citosólica, homodimérica, con un valor Mr monomérico de ~ 35 kDa (Wilborn et al., 1993; Aksoy y Weinshilboum, 1995). Una gran variedad de compuestos fenólicos endógenos y exógenos son sul- fatados por la ��� humana; la actividad de esta enzima ha sido detectada en numerosos tejidos, incluyendo hígado, adrenales, pulmón, cerebro, plaquetas, yeyuno y placenta (Wilborn et al., 1993). La reacción general catalizada por las sulfotransferasas es: R–OH + PAPS → R–OSO3– + PAP En general, la sulfatación es una vía de conjugación de xenobióticos de alta afinidad pero de baja capacidad, en contraste con la glucuroni- dación, que es una vía de conjugación de baja especificidad pero de alta capacidad (Parkinson, 1996). La concentración celular de ���� (~ 75 µM) es considerablemente inferior a la del ���-�� (~ 350 µM) y GSH (~ 10 mM), lo cual limita la capacidad de sulfatación (Parkinson, 1996). El ���� es sintetizado a partir del sulfato inorgánico y ���, en dos reacciones se- cuenciales catalizadas por la sulfato-adenililtransferasa (�. �. 2.7.7.4) y la adenilil-sulfato-kinasa (E.C. 2.7.1.25) (Mulder, 1981; Falany, 1997). A pesar de que el suministro tisular de ��� es normalmente adecuado para estas reacciones, bajo ciertas condiciones la concentración de sulfato inorgáni- co puede estar limitada; de esta manera la disponibilidad de sulfato en el organismo puede limitar el grado de sulfatación (Falany, 1997). La sulfatación usualmente es una reacción de detoxificación que conduce a la rápida eliminación de los conjugados; sin embargo, en algu- nos casos la sulfatación causa una activación metabólica del compuesto a una forma biológicamente activa (e.g. colecistokinina y minoxidil) (Wilborn et al., 1993). En roedores, la sulfatación ha sido implicada en la bioactivación de varios compuestos (por ejemplo el N-hidroxi-2-acetila- minofluorene y el 7-hidroximetil-12-metilbenz[a]antraceno) a metabolitos electrofílicos altamente reactivos (Josephy, 1997). En la actualidad se considera que las sulfotransferasas (��) son una superfamilia de enzimas que comprende dos familias y cinco miembros individuales en humanos: una estrógeno-sulfotransferasa (���), una metabolismo fase i y fase ii: enzimas responsables [83] hidroxiesteroide-sulfotransferasa (����) y tres fenol-sulfotransfera- sas (���) (tabla 1). Las tres enzimas ��� y la ��� pertenecen a la misma familia (familia fenol ��) mientras que la ���� pertenece a una familia diferente (familia hidroxiesteroide ��). Enzimas pertenecientes a la misma familia comparten una identidad de aminoácidos de al menos un 45% (Weinshilboum et al., 1997). En humanos existen dos subfami- lias dentro de la familia ���: la “subfamilia fenol ��”, correspondiente a enzimas que catalizan preferencialmente la sulfatación de fenoles planares simples y la “subfamilia estrógeno ��”, la cual cataliza la sul- fonación de estrógenos con valores de Km muy bajos. Los miembros de una misma subfamilia tienen una secuencia de aminoácidos idéntica en un 60% o más. En humanos, los tres miembros de la subfamilia ��� han sido clasificados de acuerdo con su estabilidad térmica en dos formas termoestables (h�����1 y h�����2) y una forma termolábil (h������). El único miembro de la subfamilia estrógeno �� en humanos se conoce como h��� y el único miembro de la familia hidroxiesteroide �� se co- noce como h������ (Weinshilboum et al., 1997). En contraste con lo que sucede en humanos, al menos seis formas diferentes de ��� han sido aisladas y caracterizadas a partir de citosol hepático de rata (Mulder y Jakoby, 1990). A pesar de que los cDNA humanos para la �� y ��-��� tienen una identidad de secuencia del 94.3%, codifican enzimas distintas que no solamente difieren en su estructura sino también en su función, meca- nismos de regulación y distribución tisular (Aksoy y Weinshilboum, 1995). La forma termoestable de la sulfotransferasa (��-���) cataliza la sulfoconjugación de niveles micromolares de p-nitrofenol y otros feno- les simples y es sensible a la inhibición por el 2,6-dicloro-4-nitrofenol (����) y pentaclorofenol (���); la forma termolabil (��-���) es activa con niveles micromolares de dopamina y otras monoaminas endógenas y es resistente a la inhibición por ���� y ��� (Hernández et al., 1991; Rein et al., 1982). Tradicionalmente, la dopamina ha sido el sustrato más uti- lizado para medir la actividad de la ��-���, mientras que el p-nitrofenol se considera el sustrato modelo para la medición de la actividad de la ��-��� (Weinshilboum, 1990). El sustrato prototipo para la ���� hepática humana (h������) es la dehidroepiandrosterona (����). Esta enzima también puede conjugar otros esteroides, incluyendo la testosterona, estrona y ácidos biliares, pero no cataliza la sulfoconjugación de fenoles (Radominska et al., 1990). La h������ es resistente a la inhibición por ���� (Weinshilboum y O�orness, 1994). La estabilidad térmica, sustratos [84] introducción a la toxicología veterinaria preferidos y sensibilidad a inhibidores de las enzimas ��-���, ��-��� y ����-�� se resumen en la tabla 5.2. TABLA 5.1. Clasificación de las sulfotransferasas humanas con base en la secuencia primaria de aminoácidos. “Familias” de enzimas que incluyen proteínas con una secuencia idéntica en un 45% o más; dentro de las “subfamilias” la secuencia es idéntica en un 60% o más (adaptado de Weinshilboum et al., 1997). Familia Subfamilia Enzima Fenol STs Fenol STs hTSPST1 hTSPST2 hTLPST Estrógeno STs hEST HidroxiesteroideSTs Ninguna hDHEAST Los mecanismos de regulación de la expresión de las sulfotrans- ferasas fueron revisados por Weinshilboum y O�orness (1994) y por Runge-Morris (1997). Factores tanto genéticos como hormonales regulan la actividad de las sulfotransferasas. La herencia juega un papel muy im- portante en la regulación de las variaciones individuales en la actividad de la ��� en humanos, y se sabe que la variación farmacogenética de la actividad de la ��� determina diferencias individuales en la conjugación de xenobióticos, neurotransmisores y hormonas (Weinshilboum, 1990; Weinshilboum y O�orness, 1994). Las evidencias de la regulación hor- monal de la actividad de las sulfotransferasas han sido obtenidas princi- palmente a partir de estudios murinos, en los cuales se han determinado diferencias en la actividad �� relacionadas con el sexo, particularmente a nivel hepático (Weinshilboum y O�orness, 1994). TABLA 5.2. Características de tres de las sulfotransferasas humanas más estudiadas. Enzima Estabilidad térmica Sustratos Sustrato modelo Inhibición por DCNP Inhibición por PCP TL-PST Lábil Monoaminas fenólicas Dopamina Resistente1 Resistente1 TS-PST Estable Fenoles simples p-nitrofenol Sensible1 Sensible1 DHEA ST Intermedia Hidroxi-esteroides, ácidos biliares, colesterol DHEA Resistente2 (?) No reconocido 1 Rein et al., 1982. 2 Weinshilboum y Ottorness, 1994. metabolismo fase i y fase ii: enzimas responsables [85] Los sulfoconjugados de xenobióticos son eliminados principalmente en la orina y, en menor cantidad, en la bilis. De manera análoga a lo que sucede con los glucurónidos, los sulfoconjugados excretados en la bilis pueden ser hidrolizados por aril-sulfatasas presentes en la microflora intestinal, liberando el compuesto original, el cual puede entrar en re- circulación entero-hepática (Parkinson, 1996). Conjugación con glutatión El glutatión (���) es un tripéptido (ã-glutamil-cisteinil-glicina) pre- sente en grandes cantidades (10 mM) en el citosol de muchas células. La superfamilia de enzimas conocidas como glutatión S-transferasas (���, �. �. 2.5.1.18) cataliza una gran variedad de reacciones en las cuales el anión tiolato del ��� participa como nucleófilo. Estas proteínas intracelulares están presentes en la mayoría de organismos aerobios (tanto procariotes como eucariotes) y protegen las células contra la toxicidad y el estrés oxidativo inducido por muchas sustancias químicas, catalizando la sulfoconjugación entre el grupo tiol del ��� y la porción electrofílica del sustrato (Salinas y Wong, 1999). FIGURA 5.4. Estructura química del glutatión (ã-glutamil-cisteinil-glicina). HOOC N H N H COOH NH3 O SH O Se considera que las ��� conforman la familia de enzimas más im- portante en lo que respecta al metabolismo de compuestos alquilantes (Armstrong, 1991). Las ��� están presentes en la mayoría de tejidos, alcan- zando altas concentraciones en el hígado, riñón, testículos, adrenales y pulmones, en donde se localizan principalmente en el citoplasma (>95%) y en menor proporción en el ��� (<5%) (Parkinson, 1996). Cuatro clases de enzimas solubles han sido identificadas en humanos: Alpha, Mu, Pi y Theta, así como una forma microsomal de la enzima. Las enzimas cito- sólicas son dímeros con subunidades de ~ 25-kD, mientras que la forma [86] introducción a la toxicología veterinaria microsomal es una proteína trimérica (con subunidades de 17-kD), sin relación estructural con las enzimas solubles (Josephy, 1997). Fase III: excreción Intensos estudios realizados en los últimos años han llevado a la caracterización funcional y molecular de varias proteínas encargadas de traslocar xenobióticos de un lado de la membrana celular al opuesto, ya sea para internalizarlos o para excretarlos (Díaz, 2000). Estos estudios han llevado a la identificación de transportadores de membrana específi- cos localizados en los dominios basolateral (basal) y canalicular (apical) del hepatocito. El hepatocito, al igual que las células epiteliales, presenta polaridad, es decir, presenta asimetría espacial. Todas las células están rodeadas por una membrana plasmática compuesta por una bicapa lipí- dica rica en proteínas. En células epiteliales y hepatocitos esta membrana se halla dividida en dos dominios: el dominio apical orientado hacia el espacio central del órgano y el dominio basolateral orientado hacia las células adyacentes y el tejido subyacente. Estos dominios juegan roles diferentes y tienen diferente composición. Adicionalmente, los dominios, apical y basolateral se encuentran separados por uniones especiales entre células vecinas, conocidas como uniones tight. Las uniones tight evitan que las proteínas se difundan de un dominio al otro y actúan también como un sello entre células adyacentes para prevenir que moléculas de gran tamaño atraviesen la capa epitelial. La figura 5.5 muestra los principales transportadores basolaterales y canaliculares del hepatocito. El ���� (Organic Anion Transporter Po- lypeptide), localizado en la membrana basolateral del hepatocito, es el responsable de la traslocación de xenobióticos desde el espacio sinusoidal hacia el interior de la célula. Una vez allí, los xenobióticos no conjugados de carácter neutro, aniónico o catiónico pueden ser excretados hacia la bilis por la proteína ���-1 (multidrug-resistance P-glycoprotein). Los xenobióticos conjugados (por ejemplo, glucurónidos y conjugados del glutatión) son excretados en la bilis por el transportador c���� (canali- cular Multispecific Organic Anion Transporter). Otros transportadores juegan roles fisiológicos importantes, incluyendo la toma basolateral de sales biliares (����, sodium-taurocholate cotransporter) y la secreción en la bilis de sales biliares conjugadas y no conjugadas (����, Bile Salt Ex- port Pump) y de fosfolípidos (���2). El número total de transportadores metabolismo fase i y fase ii: enzimas responsables [87] canaliculares y basolaterales del hepatocito no se conoce aún, pero los estudios actuales señalan la existencia de al menos cuatro presentes en la membrana basolateral y cinco en el dominio canalicular. FIGURA 5.5. Representación esquemática de dos hepatocitos adyacentes, incluyendo un canalículo biliar que muestra las principales proteínas involucradas en la toma y excreción de xenobióticos y componentes biliares. Tomado de Díaz, G. J., 2000. Basolateral and Canalicular Transport of Xenobiotics in the Hepatocyte: a review. Cytotechnology, 34:225-236. Hepatocito Membrana canalicular Membrana canalicular Lumen canalicular Fosfolípidos MDR2 MDR1 Xenobióticos sin conjugar y compuestos endógenos cMOAT BSEP Conjugados con glutatión y ácido glucurónico Sales biliares NTCP OATP Ácidos biliares Xenobióticos y compuestos endógenos Membrana sinusoidal [88] introducción a la toxicología veterinaria ANEXO 1 Ejemplos de anormalidades congénitas en metabolismo fase II y fase III Hiperbilirrubinemias hereditarias crónicas A. Hiperbilirrubinemias no conjugadas: actividad defectuosa de bilirrubina ���-glucuronosiltransferasa (�-���). • Síndrome Criegler-Najjar (tipo I): el más severo; no se detecta actividad �-��� o solamente a niveles muy bajos. • Síndrome Criegler-Najjar (tipo II): actividad residual �-��� baja. • Síndrome de Gilbert: deficiencia leve en actividad de glucu- ronidación, acompañada de niveles ligeramente elevados de bilirrubina. Modelo animal: la “rata Gunn” presenta una mutación de desplaza- miento del marco de lectura debida a la pérdida de una base en el codón 414, que resulta en la aparición de un codón ��� (“opal”) de terminación en el 416. El dominio �-terminal se trunca prematura- mente y se pierden 115 residuos de aminoácidos. B. Hiperbilirrubinemias conjugadas: • Síndrome Dubin-Johnson: no existe el c����. Anormalidad benigna de rara ocurrencia, descrita por primera vez en 1954. La histología del hígado es normal, excepto por la acumulación característicade pigmento oscuro (melanina) en lisosomas. Se presenta excreción urinaria compensatoria de ���4. La excreción urinaria de coproporfirina es anormal y diagnóstica: relación coproporfirina I/III elevada. Dos tipos de coproporfirinas se metabolismo fase i y fase ii: enzimas responsables [89] encuentran normalmente en la circulación: el isómero III (pre- cursor en la síntesis del grupo hemo) y el isómero I (producto de degradación del grupo hemo). Normalmente, la excreción total de coproporfirinas (I y III) es tres veces mayor en la bilis que en la orina, excretándose en la bilis un 75% del isómero I y un 25% del III y en la orina un 25% del isómero I y un 75% del isómero III. En el síndrome Dubin-Johnson la excreción urinaria total de coproporfirina no se altera, pero más del 80% corresponderá al isómero I. Modelo animal: ovejas Corriedale y tres estirpes de ratas: ��-, �� (Groningen yellow) y ��� (Eisai hyperbilirrubinemic). Presentan la misma excreción anormal de coproporfirinas en orina que los humanos. • Síndrome de Rotor. • Colestasis intrahepática familiar progresiva tipo 2 (����2): no existe el ����. Se caracteriza por una alteración en la excreción canalicular de sales biliares en presencia de niveles séricos nor- males de colesterol y de gamma-glutamil-transpeptidasa (���). El transportador ���� (����) no es funcional en pacientes que sufren este síndrome debido a varias mutaciones en el gen ����. • Colestasis intrahepática familiar progresiva tipo 3 (����3: no existe el ���3. La colestasis se ve acompañada de niveles séricos elevados de ���. Modelo animal: ratones “knock-out” carentes del gen mdr2 (homó- logo del gen humano ���3). Los ratones homozigóticos [mdr2(-/-)] desarrollan una enfermedad hepática que parece ser causada por la total incapacidad de secretar fosfolípidos en la bilis, mientras que los heterozigotos [mdr2(+/-)] no muestran lesiones hepáticas pero secretan solamente el 50% del fosfolípido normal en la bilis. [90] introducción a la toxicología veterinaria Referencias A����, I. A. and W�����������, R. M. 1995. “Human Thermolabile Phenol Sulfo- transferase Gene (���): Molecular Cloning and Structural Characterization”, Biochemical and Biophysical Research Communications, 208: 786-795. B���, K. W., S������, D., F������, A., G�����, E. 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Principles of Biochemical Toxicology, 2a ed. Taylor and Francis, London. W�����������, R. 1990. “Sulfotransferase Pharmacogenetics”, Pharmacology and Therapeutics, 45: 93-107. W�����������, R. and O��������, D. 1994. “Sulfotransferase Enzymes”, in Kauff- man, F. C. (ed.) Handbook of Experimental Pharmacology, vol. 112, Conjugation- Deconjugation Reactions in Drug Metabolism and Toxicity, Springer-Verlag, Berlin, pp. 45-78. W�����������, R. M., O��������, D. M., A����, I. A., W���, T. C., H��, C. and R��- ��������, R. B. 1997. “Sulfotransferase Molecular Biology: cDNAs and Genes”, FASEB Journal, 11: 3-14. W������, T. W., C����, K. A., D������, T. P., R������, I. M., H���������, R. L. and F�����, C. N. 1993. “Sequence Analysis and Expression of the �DNA for the Phenol-sulfating Form of Human Liver Phenol Sulfotransferase”, Molecular Pharmacology,43: 70-77. diagnóstico en toxicología y etiología general de las intoxicaciones 6 [95] CAPÍTULO 6 Diagnóstico en toxicología y etiología general de las intoxicaciones Las intoxicaciones constituyen una pequeña fracción de los casos en medicina veterinaria. Al igual que sucede con otras enfermedades, es necesario un diagnóstico preciso y rápido para tratar adecuadamente a los animales afectados y prevenir que nuevos casos se desarrollen. El diagnóstico depende de una aproximación sistemática que incluye la recolección y el manejo apropiado de las muestras. En el pasado, el diagnóstico de las intoxicaciones era mucho más fre- cuente que ahora, debido a que no se conocía la gran variedad de agentes patógenos que se conoce en la actualidad. El diagnóstico de una intoxi- cación se establecía cada vez que se presentaba un cuadro clínico repen- tino, sobreagudo y sin una causa aparente. Hoy se sabe que las toxicosis pueden tener un curso sobreagudo o evolucionar en forma lenta y leve, a veces sin apariencia de trastornos patológicos, o con manifestaciones di- fíciles de interpretar. Ante la presencia de un cuadro de apariencia súbita, con antecedentes o sin ellos, de administración, ingestión, inhalación o contacto con sustancias químicas, alimentos o medicamentos, y con una sintomatología que no encaja en entidades nosológicas evidentes, éste es sugestivo de intoxicación. Los casos de intoxicación requieren esfuerzos especiales, puesto que además de diagnosticar y tratar, los clínicos a menudo deben confrontar tanto las emociones del dueño como asuntos médico-legales. Además de la necesidad de obtener el mejor resultado diagnóstico, el potencial litigio de muchos casos relacionados con toxicología necesita del manejo cuidadoso de muestras y registros. Cuando el caso de intoxicación se presenta en animales de pro- ducción, se debe hacer énfasis especial en la salud poblacional y en los factores económicos, teniendo en cuenta la relación costo/beneficio y considerando siempre la salud pública como objetivo prioritario. [96] introducción a la toxicología veterinaria Los casos de intoxicación requieren una aproximación multifacto- rial en la que es útil hacer uso del denominado “problema orientado”, consistente en el empleo de una metodología orientada y racional que involucra la recolección de la mayor información posible. Para lograrlo, debe tomarse una historia clínica detallada (hacer un examen clínico completo y sistemático que conduzca a determinar los problemas que amenazan la vida del paciente y a definir los órganos y/o sistemas afec- tados), emplear ayudas de laboratorio clínico, realizar análisis químico, hacer examen postmortem, si el caso lo precisa y, finalmente, en algunas ocasiones, realizar pruebas biológicas. La evidencia parcial de estos datos raramente suministra un diagnóstico definitivo en la ausencia de otros. Historia clínica y circunstancias de exposición Al hacer la historia clínica es importante evitar sesgarse por la pri- mera impresión del propietario. Una anamnesis bien orientada puede ser útil al hacer un diagnóstico, sin que éste se deba basar exclusivamente en ella. La historia clínica debe ser minuciosa y lo más completa posible (tabla 6.1). Ante un posible caso de intoxicación, el ambiente en el que se encuentra el animal debe ser estudiado cuidadosamente. Reconocer el desarrollo cronológico de los eventos puede ayudar a relacionar el comienzo de los signos con factores extraordinarios. El objetivo principal de la historia es identificar posibles fuentes de un tóxico. Las fuentes del tóxico pueden ser halladas una vez se exami- na el hábitat del animal; se revisan prácticas de manejo; se inspecciona el alimento, el agua y la cama, y se registra el movimiento y destino reciente de los animales. La identificación temprana de un posible tóxi- co permite al veterinario detener la exposición al mismo y prevenir la aparición de nuevos casos. Debe instruirse al propietario del animal para que no descarte muestras que pueden ser útiles en el diagnóstico (en ocasiones podría devolverlas a industrias de alimentos) hasta que la investigación concluya. La presencia de un tóxico en el ambiente, o aun el consumo de un tóxico, no confirma una toxicosis; únicamente sugiere qué camino deben tomar investigaciones posteriores, como por ejemplo la confirmación de exposición a concentraciones suficientes que conduzcan a intoxicación, la documentación de efectos clínicos típicos del tóxico que se sospecha o la determinación del nivel tóxico de la sustancia en cuestión. diagnóstico en toxicología y etiología general de las intoxicaciones [97] Examen clínico Los signos clínicos son a menudo la única información disponible y debe ser usada para iniciar la búsqueda de tóxicos. La sintomatología clínica, sin embargo, no es suficiente para confirmar un diagnóstico de intoxicación. Existen miles de químicos que pueden causar efectos simi- lares en el limitado número de órganos y sistemas corporales. TABLA 6.1. Datos para evaluar la historia clínica y las circunstancias de intoxicación. Datos del propietario Datos del paciente Fecha: Especie: Nombre: Raza: Dirección: Sexo: Peso: Teléfono: Edad: Historia clínica del paciente Enfermedades recientes (últimos 6 meses): Historia de vacunación: Tratamientos médicos: Datos clínicos del episodio actual Curso de la enfermedad: Motivo de consulta: Signos mostrados: Tratamientos previos: Cronología del evento: Tamaño del grupo afectado: Morbilidad/mortalidad: Tiempo de presentación del problema: Si el animal se encuentra muerto, ¿cuándo se vio con vida y saludable por última vez? Datos ambientales Explotaciones Lugar donde habita (establo, potrero, áreas boscosas, en cercanías a ríos o lagos, en cercanías a una carre- tera o a zonas industriales, acceso a basura). Cambios recientes (fertilización de potreros, disposición de desechos agroindustriales, manejo de malezas, fumigación con plaguicidas en el área, uso de rodenticidas, zonas aledañas en construcción). Pequeños animales Lugar donde habita (casa, calle, potrero, perreras, historia reciente de fuga). continúa [98] introducción a la toxicología veterinaria Cambios recientes (uso de insecticidas, acceso a plantas o a productos químicos –de limpieza, para auto- móviles–, medicación reciente). Tipo de alimentación Cambios recientes en la dieta (relacionar el momento del cambio con la aparición de los signos observados). Acceso ilimitado a alimentos: Calidad del concentrado consumido: Fuente de agua: Cambio en el suministro de agua: Examen clínico completo y por sistemas Hallazgos postmortem Al desarrollar el examen clínico es necesario tener serenidad para poder aplicar los conocimientos teóricos y así lograr identificar los ór- ganos y sistemas primariamente afectados. Es fundamental hacer una descripción detallada de las observaciones generales, al igual que un es- tudio pormenorizado de los sistemas orgánicos afectados. Es importante recordar que no existen síntomas patognomónicos en las intoxicaciones, sino síntomas comunes a muchas patologías. Algunas intoxicaciones cursan con síntomas como trastornos digestivos, alteraciones cutáneas, alteraciones neuromusculares, afecciones circulatorias, respiratorias y cambios renales, entre otros. Tanto la cronología como el progreso de los signos clínicos tienen valor en el diagnóstico. El clínico puede ver sólo una fase del progreso de la enfermedad. Debe preguntársele al propietario o al encargado del ani- mal si ha observado otros signos. La rapidez en el comienzo y duración de los signos puede ayudar a identificar algunos tóxicos y excluir otros. Hecho el examen, es necesario hacer una lista de problemas o ha- llazgos clínicos que amenacen la vida del paciente. En intoxicaciones es frecuente encontrar deshidratación, convulsiones, hemorragias, estupor, vómito, diarrea, azotemia, disnea severa, etc. Algunos signosclínicos que sugieren intoxicación de acuerdo con el sistema afectado se listan en la tabla 6.2. diagnóstico en toxicología y etiología general de las intoxicaciones [99] TABLA 6.2. Signos orientadores de intoxicación según sistema afectado. Sistema afectado Signo Posible etiología tóxica Gastrointestinal Vómito Metales (pesados, de transición, alcalinos, alcalinotérreos, etc.), metaloides (Se, As), urea, sales (nitratos, nitritos, cloratos, etc.), ácidos o álcalis fuertes, organofosforados, carbamatos. Diarrea Abdomen agudo Ictericia Organoclorados, cloroalcanos, alcaloides pirrolizidínicos, aflatoxinas. Músculo-esquelético Ataxia Sal, monóxido de carbono, belladona, ahuyama, organofos- forados, carbamatos.Paresia Tremores Respiratorio Disnea Monóxido de carbono, cianuro, nitritos, estricnina, herbi- cidas bipiridilo.Estertores Nervioso Convulsiones Cianuro, nitritos, estricnina, plantas hepatotóxicas, afla- toxinas, ácido ciclopiazónico, organoclorados, piretroides, metaldehído. Circulatorio Hemoglobinuria Cobre, cloratos, agua, crucíferas, antibióticos, anticoagulantes cumarínicos.Hemorragia Urinario Hematuria Helecho macho (Pteridium aquilinum). Tegumento Úlceras Fenotiacinas, sulfonamidas, sustancias fotosensibilizantes, esporodermina.Fotosensibilización El clínico también debe estar en capacidad de definir los órganos y/o sistemas afectados, con el fin de listar los diagnósticos diferenciales. Muchos de los signos de intoxicación (vómito, convulsiones) pueden también ser causados por enfermedades infecciosas, desórdenes meta- bólicos o endocrinos y deficiencias nutricionales. La definición precisa de los órganos, tejidos y procesos metabólicos más afectados es un factor importante en el procedimiento diagnóstico. La caracterización de los sistemas orgánicos debe ser usada para elaborar una lista de diagnósticos diferenciales, compatible con los signos clínicos. Una vez se listan los diagnósticos diferenciales pueden proponer- se los planes diagnósticos que sean convenientes. Generalmente estas ayudas pueden solicitarse a un laboratorio de patología clínica, y en ocasiones a un laboratorio de análisis químico. Patología clínica Diferentes tóxicos pueden causar cambios característicos en órga- nos o vías metabólicas. Las pruebas de laboratorio clínico que pueden [100] introducción a la toxicología veterinaria confirmar y cuantificar daño toxicológico a los órganos, incluyen perfiles séricos enzimáticos para daño renal o hepático, pruebas de coagulación (tiempo de protrombina, tiempo parcial de tromboplastina), urianálisis, análisis de electrolitos, pH sanguíneo, bicarbonato, osmolaridad y anion gap. La tabla 6.3 señala las pruebas de laboratorio clínico que pueden desarrollarse de acuerdo con el órgano y sistema afectado. TABLA 6.3. Pruebas de patología clínica de acuerdo con el órgano y sistema afectado. Sistema afectado Órgano Prueba Gastrointestinal Hígado Alanino amino transferasa (ALT), aspartato amino trans- ferasa (AST), fosfatasa alcalina, gama glutamil transferasa (GGT), lactato deshidrogenasa (LDH), bilirrubina directa, bilirrubina total. Urinario Riñón Nitrógeno uréico sanguíneo (BUN), creatinina, GGT urinaria, excreción fraccional de sodio, urianálisis. Vejiga Urianálisis. Circulatorio Sangre Tiempo de coagulación, recuento de plaquetas, tiempo de protrombina (PT), tiempo parcial de tromboplastina (PTT). Hemorragias Anemia Cuadro hemático, índices eritrocíticos, recuento de reti- culocitos. Nervioso Central Análisis de líquido cefalorraquídeo, creatinin kinasa (CK). Periférico Glucosa. Músculo-esquelético Músculo CK, AST. Respiratorio Pulmón Lavado traqueobronquial y broncoalveolar. Hallazgos postmortem El examen macro y microscópico es valioso para establecer un diag- nóstico exacto. La necropsia de los animales debe ser completa; cuando es parcial pueden omitirse lesiones pertinentes o muestras críticas. Al- gunas intoxicaciones pueden ser enmascaradas por procesos infecciosos o deficiencias nutricionales, por lo cual debe evitarse el sesgo durante el examen. La necropsia debe realizarse rápidamente para evitar que desaparezcan posibles tóxicos volátiles y que se presenten alteraciones histolíticas postmortem. Se debe tener cuidado especial al examinar el contenido estomacal e intestinal. La presencia de colores anormales, plan- tas, objetos extraños, tabletas o cápsulas, puede ayudar al diagnóstico. Las muestras necesarias para el diagnóstico de enfermedades infec- ciosas deben obtenerse en primera instancia para evitar contaminación. Para el examen microscópico se recolectan las muestras adecuadamente diagnóstico en toxicología y etiología general de las intoxicaciones [101] en formaldehído bufferado al 10%, en un volumen diez veces mayor al volumen tisular. Para pruebas de análisis químico las muestras no deben ser fijadas en formol, pero deben ser congeladas. Las lesiones de las intoxicaciones pueden ser específicas, no especí- ficas, o aun estar ausentes. Por ejemplo, la presencia de enteritis hemorrá- gica puede sugerir una gran variedad de sustancias, incluyendo plantas tóxicas que pueden contener oxalatos insolubles (Philodendron sp.) o lecti- nas (Ricinus communis), metales (zinc, hierro), metaloides (arsénico) o ce- bos rodenticidas (anticoagulantes cumarínicos). Con otros tóxicos como los insecticidas organofosforados y carbamatos, es posible observar muy pocos daños postmortem, excepto edema pulmonar y enrojecimiento de la serosa. De esta manera, las lesiones deben ser interpretadas tomando en cuenta la información adicional recolectada. Algunas lesiones comunes inducidas por tóxicos incluyen gas- troenteritis, hígado graso, necrosis hepática centrolobulillar, necrosis de corteza renal, hemoglobinuria, dilatación cardiaca, necrosis cardiaca, hidrotórax, edema pulmonar e irritación ocular, entre otros. La tabla 6.4 indica algunos hallazgos de interés que pueden ser indicativos de procesos tóxicos. Análisis químico La concentración de un químico o sus metabolitos en órganos o te- jidos es a menudo la evidencia más fuerte para confirmar una toxicosis. Sin embargo, los análisis disponibles son escasos en comparación con la gran variedad de sustancias químicas que pueden generar intoxicación y en caso de disponer de éstos, el valor de estas pruebas suele ser limitante para muchos propietarios. TABLA 6.4. Hallazgos postmortem de interés que pueden sugerir intoxicación. Hallazgo Tóxico Coloración rojo cereza en sangre. Cianuro, monóxido de carbono. Coloración chocolate en sangre. Nitritos, anilina, acetaminofén. Coloración amarillenta generalizada. Hepatotóxicos. Presencia de sangre sin coagular. Anticoagulantes cumarínicos. Contenido gástrico. Cebos rodenticidas, plantas, medicamentos. Cirrosis hepática. Alcaloides pirrolizidínicos, aflatoxinas. Edema pulmonar. Urea. [102] introducción a la toxicología veterinaria Los análisis químicos no deben ser usados de manera aislada al ha- cer un diagnóstico. Algunas sustancias que producen toxicosis pueden estar presentes en niveles inferiores al límite de detección de la técnica analítica empleada (por ejemplo los organofosforados pueden causar in- toxicación sin ser detectados en los tejidos por procedimientos analíticos usuales), mientras que otras pueden acumularse considerablemente en ciertos tejidos sin causar toxicosis (por ejemplo, residuos de organoclo- rados en tejido adiposo). Por lo tanto, la concentración del producto en- contrado en el análisis químico debe ser consistente con la intoxicación, haciéndose necesario tener en cuenta todos los datos obtenidos durante el proceso diagnóstico. Las muestras para el análisis toxicológico pueden ser tomadas del ambiente, del paciente vivo, o durante la evaluación postmortem. Esco- ger una estrategia adecuada en el momento de colectarlas y enviarlas es crítico para obtener los mejores resultados del análisis químico. Es necesario hacer una adecuadaselección de la muestra. Órganos como el hígado y el riñón, por su importancia en el metabolismo y excre- ción de xenobióticos, pueden resultar de utilidad para evaluar tóxicos específicos. El contenido estomacal e intestinal refleja exposición oral re- ciente pero no es efectivo para tóxicos con efectos crónicos o retardados. Muestras de piel y pelo son importantes si se sospecha una exposición dérmica. El alimento, agua y forraje consumidos por el animal son impor- tantes para identificar fuentes potenciales de intoxicación; sin embargo, es importante recordar que el alimento que ocasionó el problema podría ya no estar disponible. Las muestras deben remitirse en cantidades suficientes y especi- ficando la sustancia o sustancias que se espera sean determinadas. La tabla 6.5 indica la cantidad óptima según el tipo de muestra que puede ser remitida, al igual que los análisis toxicológicos que eventualmente podrían desarrollarse. Las muestras deben ser etiquetadas con los datos correspondientes; nombre del propietario, identificación del animal, tejido o tipo de muestra. En lo posible, deben ir acompañadas de una historia epidemiológica que incluya una descripción de síntomas, signos y lesiones encontradas. diagnóstico en toxicología y etiología general de las intoxicaciones [103] TABLA 6.5 Muestras para pruebas de toxicología analítica. Muestra Cantidad Prueba que puede ser solicitada Antemortem Sangre* 5-10 mL Metales, elementos traza, colinesterasas, plaguicidas. Suero* 5-10 mL Electrolitos, nitrógeno uréico, amonio, metales, antibióticos, vitaminas. Orina* 50 mL Alcaloides, metales, electrolitos, antibióticos, drogas, sulfonami- das, oxalatos. Leche* 30 mL Antibióticos, organoclorados, aflatoxina M1. Heces 250 g Exposición reciente a drogas o tóxicos excretados en bilis. Vómito 250 g Tóxicos ingeridos, especialmente los de difícil determinación en tejidos (órganofosforados, ionóforos). Pelo** 5-10 g Exposición dérmica a plaguicidas, acumulación crónica de minerales (arsénico, selenio). Postmortem Hígado 100 g Metales, plaguicidas, alcaloides, fenoles, algunas micotoxinas. En bilis puede detectarse plomo. Riñón 100 g Alcaloides, herbicidas, algunos metales, compuestos fenólicos, oxalatos. Contenido estomacal 500g Confirmación reciente de exposición oral. Contenido ruminal 500 g Confirmación de exposición oral a tóxicos. El rumen puede degra- dar algunos tóxicos (nitratos, micotoxinas). Grasa 250 g Tóxicos solubles en grasa (organoclorados, dioxinas) Fluido ocular Ojo completo Electrolitos (sodio, calcio, potasio, magnesio), amonio, nitratos, nitrógeno uréico. Cerebro Cerebro completo Neurotóxicos (organoclorados, piretroides, sodio, mercurio). Nú- cleo caudal puede extraerse para determinar colinesterasa. Ambientales Concentrado** 2 kg Deben tomarse muestras de varios puntos. Forraje** 5 kg Deben tomarse muestras de varios puntos. Plantas** Planta completa Identificación de la planta, alcaloides, taninos, glucósidos car- diacos. Cebos** Completo Tóxico que se sospecha. Agua 0.5-1L Nitratos, sulfatos, sólidos totales, algas, plaguicidas. * Muestras que no requieren ser congeladas, pero sí refrigeradas. ** Muestras que pueden ser remitidas a temperatura ambiente. Las muestras no deben ser lavadas, para prevenir, tanto el arrastre de residuos del agente químico, como la posible contaminación causada por el agua. La congelación de las muestras previene la pérdida de sus- tancias volátiles (por ejemplo, amonio o cianuro), y detiene la actividad enzimática o bacteriana que podría inactivar los tóxicos. Por lo tanto, la [104] introducción a la toxicología veterinaria mayoría de muestras deben ser congeladas, a menos que el análisis es- pecífico solicite otro tratamiento. Los órganos se envían separadamente en envases de vidrio o plástico con cierre hermético. El suero y la sangre se envían refrigerados. Si se remite suero, éste debe ser separado del coágulo, ya que sustancias liberadas por los eritro- citos pueden afectar la interpretación de resultados séricos. Las muestras de alimento pueden ser enviadas en bolsas plásticas o de papel. Si se van a remitir plantas para su identificación, debe remitirse el espécimen completo, presionado con cartón o papel periódico para su conservación. Pruebas biológicas Una prueba biológica consiste en administrar a animales de la- boratorio, o a una especie susceptible, el alimento o sustancia que se sospecha está causando intoxicación, con el propósito de demostrar su efecto. Raramente estas pruebas son necesarias pero pueden ser útiles para proteger a otros animales de procesos tóxicos. Su aplicación diag- nóstica es limitada debido a la dificultad de reproducir las condiciones en las cuales ocurrió la supuesta intoxicación y a las restricciones éticas que involucra el uso de animales para experimentación. Si se confirma la fuente de un tóxico a través de este tipo de pruebas, investigaciones posteriores pueden ser desarrolladas para identificar la existencia de una nueva sustancia tóxica con la posibilidad de desarrollar un análisis químico de interés diagnóstico. Otra prueba que puede ubicarse en esta categoría es la respuesta a un antídoto en un animal intoxicado, lo cual podría ayudar a confir- mar un diagnóstico clínico. Por ejemplo, una mejoría en la condición clínica (reducción de salivación y vómito) después de la administración de atropina es una evidencia experimental presuntiva de toxicosis por organofosforados. Etiología general de las intoxicaciones El término etiología (del griego aitra, causa) consiste en la búsqueda y conocimiento del origen o motivo de una intoxicación. Las intoxicacio- nes pueden clasificarse en dos grandes grupos, dependiendo de factores fortuitos u ocasionales o en los cuales participa el hombre. En medicina diagnóstico en toxicología y etiología general de las intoxicaciones [105] veterinaria no se consideran los factores de intencionalidad dados en el ser humano de atentar contra su propia vida. Intoxicaciones accidentales Son las que se producen sin mediar intencionalidad alguna. Pueden ser debidas al contacto con tóxicos naturales, del medio ambiente o por contacto con sustancias tóxicas manejadas por el hombre. Tóxicos minerales: básicamente son contaminantes de aguas (flúor, nitra- tos) o de vegetales que crecen en suelos con exceso de algunos mi- nerales como el cobre, molibdeno o selenio, ocasionando cuprismo, molibdenosis o seleniosis, respectivamente. Plantas tóxicas: algunas de las intoxicaciones por plantas tóxicas en ani- males se presentan por malas condiciones de pastoreo o actividades inapropiadas establecidas por el hombre. A pesar de la poca selec- tividad en la alimentación de algunos animales, como los bovinos, la mayoría de las plantas tóxicas se caracterizan por tener sabor amargo, lo cual reduce la posibilidad de que sean consumidas; sin embargo, bajo condiciones de praderas mal establecidas, pastizales pobres, o en épocas de sequía, las plantas potencialmente tóxicas pueden ser ingeridas por los animales. Las características químicas de los tóxicos vegetales varían dependiendo de la especie de planta (ver capítulo 10). Toxinas de origen animal: también pueden llamarse venenos. La ex- posición ocurre a través de mordeduras o picaduras de reptiles o insectos ponzoñosos que inoculan sus toxinas como mecanismo de defensa o ataque. Intoxicaciones influenciadas por el hombre Intoxicaciones profesionales: ocurren en animales que viven en estable- cimientos industriales o fábricas que utilizan ciertos compuestos tóxicos (solventes, pinturas, metales, etc.). A este grupo pertenece el saturnismo (intoxicación con plomo), la asbestosis y seleniosis (más frecuentes en humanos), intoxicación con mercurio, con gases tóxicos, etc. Intoxicaciones por plaguicidas: se presentan por el mal manejo de estos productos. [106] introducción a la toxicología veterinaria Intoxicacionesde tipo domiciliario: ocasionadas por productos de uso doméstico, como desinfectantes, detergentes, pinturas, baterías, etc. Ocurren especialmente en animales de compañía. En mascotas también pueden presentarse por plantas tóxicas utilizadas como elementos decorativos caseros, particularmente plantas de la familia Araceae. Intoxicaciones ocasionadas por medicamentos: se presentan por errores en la dosificación de los fármacos y pueden ser dadas por negli- gencia, ignorancia o imprudencia del profesional o propietario. Algunos animales presentan una respuesta exagerada a la admi- nistración de un fármaco a igual posología que en otros animales. Este factor idiopático también es influenciado por la especie, raza, edad y sexo de los animales. Intoxicaciones alimentarias: concentrados contaminados con plantas tóxicas o con aditivos industriales son causa frecuente de intoxica- ción en los animales. Los concentrados y cosechas de granos mal almacenados favorecen el crecimiento de hongos toxigénicos. Intoxicaciones ambientales: muchos tóxicos presentes en el ambiente, como consecuencia de la contaminación atmosférica, pueden afec- tar la salud del hombre y los animales por la exposición permanente a los mismos. Dentro de este grupo se encuentran los gases prove- nientes de la quema de combustibles fósiles (monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno y óxidos de azufre, entre otros), material parti- culado, hidrocarburos, compuestos orgánicos volátiles, etc. Referencias D���, G. J. y C�������, A. 1996. Introducción a la toxicología general, 1a ed. Edición de los autores. G����, F. 2001. “Approach to Diagnosis and Initial Treatment of the Toxiclogy Case”, in Small animal toxicology, Peterson M. and Talco� P. (eds.), Saunders Company, New York, pp. 99-113. G����, F. 2004. “Diagnostic Toxicology”, in Plumlee K. H (ed.). Clinical Veterinary Toxicology, Mosby St. Louis, pp. 22-27. O��������, G. D. 1996. The National Veterinary Medical Series for Independent Study: Toxicology, Williams & Wilkins, Philadelphia. terapia y manejo de las toxicosis 7 [109] CAPÍTULO 7 Terapia y manejo de las toxicosis Una aproximación lógica es la vía más efectiva para tratar intoxi- caciones agudas. Las toxicosis ocurren con poca frecuencia, pero a menudo ponen en peligro la vida del paciente; por lo tanto, una respuesta bien organizada que involucre descontaminación y terapia de emergencia es esencial para que el paciente sobreviva las primeras horas a una intoxicación aguda. Determinar la causa de la toxicosis es impor- tante para lograr una aproximación racional al manejo. Además, una terapia de soporte es un factor clave en la recuperación del metabolismo alterado y de los órganos lesionados. La aproximación general enfatiza la frase “trate al paciente y no al tóxico”. De manera general, en el tratamiento de las toxicosis se proponen tres frentes de acción: 1) intervención de emergencia o terapia de sosteni- miento; 2) intervención general o inespecífica y 3) aplicación de antídotos o intervención específica. Intervención de emergencia o terapia de sostenimiento En una intoxicación deben evaluarse y tratarse apropiadamente los principales efectos que ponen en riesgo la vida del paciente. La interven- ción de emergencia o terapia de sostenimiento pretende tratar los proble- mas que presenta el animal. A menudo, estas medidas se consideran la parte más valiosa en el tratamiento temprano de las toxicosis. Posibles consecuencias de intoxicación incluyen depresión o falla respiratoria, vómito o diarrea prolongada, convulsiones, hipotermia o hipertermia. Algunas sugerencias para el tratamiento de estas altera- ciones se presentan en la tabla 7.1. Las alteraciones cardiovasculares, de equilibrio ácido base y electrolítico pueden controlarse con una adecuada administración de fluidos y electrolitos. [110] introducción a la toxicología veterinaria Intervención general o inespecífica Estas medidas buscan remover la fuente del tóxico, evitar mayor absorción del tóxico ya ingerido y acelerar la eliminación del mismo. TABLA 7.1. Terapia de sostenimiento en toxicología. Alteración Tratamiento Depresión o falla respiratoria Mantenimiento de una vía aérea. Ventilación mecánica u oxigenoterapia. Estimulantes respiratorios de acción central. Doxapram 1-10 mg/kg IV Naloxone 0.04 mg/kg IV, SC, o IM Control de convulsiones Diazepam 0.5 mg/kg IV cada 20 minutos hasta tres veces. Fenobarbital 6 mg/kg si falla el diazepam. Pentobarbital si fallan los anteriores. La anestesia se induce levemente. Vómito o diarrea prolongada por irritación local Cimetidina 5-10 mg/kg PO (perros). Bloquea receptores histamínicos. Hipotermia o hipertermia Control de la temperatura. Regular la temperatura en líquidos de la fluidoterapia. PO: posología oral. IV: intravenoso. IM: intramuscular. SC: subcutánea. Remoción de la fuente del tóxico Cuando la toxicosis ha ocurrido, o está ocurriendo, debe evitarse mayor exposición a la sustancia que la ha ocasionado. Para ello se requie- re, de acuerdo con la fuente del tóxico, cambiar al animal de locación y cambiar el alimento y/o el agua. Los animales expuestos a tóxicos vía dérmica deben ser lavados con agua tibia y jabón o detergente suave. El proceso debe repetirse cuantas veces sea necesario. Algunos animales pueden requerir corte de pelo para remover los residuos del tóxico. Para exposiciones oculares se re- comienda lavar inmediatamente con agua, repitiendo el procedimiento varias veces por un período de hasta 30 minutos o empleando de 2 a 3 litros de solución de lavado. Evitar mayor absorción de los tóxicos ya ingeridos Se logra a través de un vaciado gástrico y/o por la administración de un adsorbente. terapia y manejo de las toxicosis [111] Vaciado gástrico: se considera un componente crítico en el manejo de una intoxicación. Puede hacerse induciendo la emesis o con un lavado. Una descontaminación apropiada y a tiempo puede prevenir el ini- cio de signos clínicos o disminuir significativamente la severidad de la intoxicación. La cantidad de material recuperado del estómago a través de estos procedimientos disminuye dramáticamente con el tiempo. Remover el tóxico del estómago es más efectivo en las primeras dos horas postinges- tión y es de beneficio limitado después de cuatro horas de ingestión. Sin embargo, algunos autores consideran que una hora después del consumo la recuperación del material tóxico podría ser insignificante, retrasando además otros tratamientos que podrían ser más efectivos (por ejemplo, el suministro de adsorbentes). Si el tóxico indujo emesis o si fue inducida exitosamente por el pro- pietario antes de llevar al animal a consulta, intentos posteriores para remover material del estómago son poco significativos. La administración de eméticos no es recomendada para roedores, conejos, caballos o rumiantes, ya que estas especies no pueden vomitar de manera segura y efectiva. Es también contraindicada en animales inconscientes o muy deprimidos (puede ocurrir aspiración del vómito); en presencia de convulsiones o cuando hay susceptibilidad a presentar- las y cuando el animal ha ingerido materiales corrosivos (la pared del estómago podría romperse), derivados de petróleo u otros materiales volátiles (hay riesgo de neumonía por aspiración). Si un producto que contiene varias sustancias potencialmente tóxicas es ingerido, todos los ingredientes en la formulación necesitan ser considerados al seleccionar un apropiado plan de descontaminación. Los hidrocarburos volátiles pueden ser vehículos para una variedad de pesticidas. Por lo tanto, los riesgos asociados con la aspiración de los hidrocarburos deben ser considerados al determinar la toxicidad y cantidad de ingrediente activo ingerido. Los principales eméticos de acción local y central que pueden ser empleados se presentan en la tabla 7.2. Una alternativa a la descontaminación gastrointestinal es el lavado gástrico.Puede hacerse si la inducción de emesis es inefectiva o contra- indicada. Esta intervención no se recomienda en rumiantes, pues hacer el lavado implicaría mucho tiempo y esfuerzo debido al gran volumen del contenido ruminal. El lavado debe ser desarrollado en un animal [112] introducción a la toxicología veterinaria inconsciente o anestesiado con intubación endotraqueal que prevenga la aspiración del contenido estomacal. La solución de lavado (agua o solu- ción salina) se administra a una tasa de 10 mL/kg a través de una sonda orogástrica. Después de algunos minutos la solución, en compañía del contenido estomacal, se recupera por aspiración. El procedimiento se re- pite 15 a 25 veces o hasta que el fluido recuperado sea claro. Debe evitarse la presión excesiva para prevenir ruptura de la pared estomacal. TABLA 7.2. Inductores de emesis en toxicología veterinaria. Eméticos que podrían ser administrados por el propietario Jarabe de ipecacuana al 7%: proviene de las raíces de la planta Cephalis ipeca- cuana originaria de Sur América. Perros: 1 a 2 mL/kg PO. Gatos: 3 mL/kg PO. Repetir a los 15 minutos si no ha sido efectivo. Puede causar excesivo vómito o depresión del sistema nervioso central. Peróxido de hidrógeno al 3%: 2 a 5 mL/kg PO. Más efectivo si el estómago contiene ingesta. La dosis no debe exceder los 40 a 50 mL totales. Eméticos administra- dos por el profesional (de acción central) Apomorfina: perros: 0.04 mg/kg (IM, IV) o 0.08 mg/kg (SC). El vómito puede ser excesivo y puede ocurrir depresión del SNC. No se recomienda en gatos. Si hay excesiva depresión del SNC o respiratoria, aplicar naloxone. Xilacine 1.1 mg/kg. Efectivo en la mayoría de gatos. Si ocurre depresión respi- ratoria aplicar yohimbina 0.1 mg/kg IV. PO: posología oral. IV: intravenoso. IM: intramuscular. SC: subcutánea. En algunos casos de intoxicación (toxicosis por metaldehído en pe- queños animales) se recomienda el lavado enterogástrico. Esta técnica consiste en la combinación del lavado gástrico y un enema retrógado, administrado con el tubo gástrico y el endotraqueal aún en su lugar. El fluido del enema se administra hasta que salga por el tubo gástrico, lo que indica una evacuación completa del tracto gastrointestinal. Administración de adsorbentes: la adsorción es la unión física de un tóxico a un transportador no absorbible que es eliminado en las heces. El carbón activado (��) es el adsorbente más comúnmente empleado. Se trata de carbón vegetal expuesto a altas temperaturas y a agentes oxidantes con el fin de formar una masa porosa de gran área superficial (un gramo de �� tiene aproximadamente 1000 m2 de superficie). El �� se une de manera más efectiva a moléculas grandes no polares, mientras que la unión con amonio, cianuro, sales ionizadas y fuertemente disociadas (por ejemplo: cloruro de sodio) y con compuestos pequeños altamente polares e hidrofílicos (alcoholes, ácidos fuertes, álcalis, bromu- terapia y manejo de las toxicosis [113] ro) es relativamente inefectiva. Metales como plomo, hierro y litio no son eficazmente adsorbidos por el ��. El �� puede administrarse después de la emesis, el lavado gástrico o cuando estos procedimientos están contraindicados, y la ingesta debe permanecer en el estómago o rumen. La dosis de administración es 2 a 5 g/kg de peso corporal, disolviendo cada gramo en 5 mL de agua. Usualmente, una o dos horas después se administra un catártico como el sulfato de sodio (250 mg/kg de peso corporal ��) o sorbitol (al 70% 3 mL/kg de peso corporal ��). Esta combinación asegura la remoción del complejo tóxico-carbón y ayuda a prevenir la constipación que puede ocasionar el adsorbente. Si grandes cantidades del tóxico fueron ingeridas o si éste tiene una fase prolongada o retardada de liberación, podría ocurrir recirculación enterohepática y, por lo tanto, disponibilidad del tóxico para ser reab- sorbido. En estos casos se recomienda la administración repetida de ��, siempre y cuando el paciente esté bien hidratado para evitar constipación u obstrucción intestinal. En exposiciones dérmicas con posibilidad de recirculación entero- hepática también se sugiere el uso de Carbón Activado (��). Se ha demostrado que la reducción en la absorción del tóxico al administrar �� en los primeros 60 minutos es superior que cuando se hace tiempo después. Por lo tanto, en algunas ocasiones debe evaluarse la posibilidad de la terapia de adsorción sin un vaciado gástrico previo, que retrasaría la administración de ��. La gastrotomía o ruminotomía puede ser necesaria en situaciones en las que la emesis, el lavado gástrico o el carbón activado no represen- tan ninguna utilidad. Se requiere para remover cuerpos extraños que contengan materiales tóxicos o cuando haya sustancias persistentes como aceites, grasas o agentes que reduzcan la motilidad ruminal. Mejorar la eliminación del tóxico Uso de catárticos: los catárticos aceleran la eliminación de tóxicos no absorbidos a través de las heces. Pueden ser administrados catár- ticos salinos (sulfato de sodio o sulfato o citrato de magnesio) o de sacarosa (sorbitol). Su uso es seguro si se suministran solamente una vez, de lo contrario podrían conducir a deshidratación a través de diarrea. La administración repetida de catárticos con magnesio puede conllevar a hipermagnesemia manifestada en hipotonía, [114] introducción a la toxicología veterinaria alteración mental y falla respiratoria. Se contraindica el uso de catárticos cuando hay obstrucción o perforación intestinal, cirugía intestinal reciente, imbalance electrolítico significativo e ingestión de sustancias corrosivas. El aceite mineral no es un catártico recomendado en perros y gatos, ya que tiene mayor riesgo de aspiración pulmonar que otros catár- ticos. Diuresis forzada: la administración intravenosa (��) de soluciones que contengan sodio es a menudo recomendada para acelerar la eli- minación de tóxicos a través de los riñones. Sin embargo, grandes volúmenes de líquidos representan el riesgo de una sobrecarga de fluidos que puede conducir a la formación de edema cerebral y pul- monar y a la presentación de disturbios ácido base o de electrolitos. Para que ésta sea una terapia efectiva, los tóxicos deben estar en su forma no ligada. En caso de presentación de edema debido a la intoxicación, puede ser útil el uso de diuréticos como el manitol y la furosemida. Atrapamiento iónico: ésta es una vía efectiva que bloquea la reabsorción en tracto gastrointestinal o túbulos renales de compuestos ácidos o básicos por medio de su ionización. Por ejemplo, la alcalinización de la orina a un pH de 7 o más, con bicarbonato de sodio (0.5 -2 mEq/kg cada cuatro horas ��), ha demostrado mejorar la eliminación uri- naria de ácidos débiles como etilenglicol, salicilatos, fenobarbital y herbicidas fenoxiacéticos. Mientras que la administración de cloruro de amonio (perros 100 mg/kg PO; gatos 20 mg/kg ��) para acidificar la orina, a un pH de 5.5 a 6.5, puede mejorar la eliminación de bases débiles como anfetaminas y estricnina. Medidas específicas o antidotales Los antídotos son agentes con una acción específica contra la acti- vidad o efecto de un tóxico; su número es reducido si se compara con la amplia lista de sustancias tóxicas. Se deben administrar ante una toxicosis clínica que ha sido co- rrectamente diagnosticada. En muchos casos la dosis recomendada de varios antídotos no ha sido determinada con precisión y los protocolos de administración varían según la fuente consultada. terapia y manejo de las toxicosis [115] Pueden clasificarse en antídotos químicos o farmacológicos. Los químicos específicamente interactúan con el tóxico o lo neutralizan (por ejemplo, el ���� se combina con los metales para formar un complejo soluble en la orina), mientras que los farmacológicos producen un efecto que neutraliza o antagoniza el efecto del tóxico (por ejemplo, la atropina bloquea el efecto fisiológicode la acetilcolina en una intoxicación por organofosforados o carbamatos). La tabla 7.3 indica los antídotos de uso común en toxicología veterinaria. TABLA 7.3. Antídotos de uso común en toxicología veterinaria. Antídoto Tóxico Dosis e indicaciones N-acetilcisteína Acetaminofén Caninos y felinos: 140-150 mg/kg PO, IV. Seguido de 50-70 mg/kg cada 4-6 horas. Sulfato de atropina Organofosforados, carbamatos Caninos y felinos; 0.2-2 mg/kg. Rumiantes: 0.2-0.5 mg/kg repetir cada 3-4 horas por dos días. Equinos: 1 mg/kg cada dos horas. Calcitonina Vitamina D Caninos: 4-6 UI/kg SC cada 2-3 horas. Edetato cálcico disódico (EDTA) Plomo y otros metales pesados Caninos y felinos: 100 mg/kg SC cada seis horas. Equinos: 75 mg/kg IV goteo lento por cinco días. Bovinos: 67 - 73 mg/kg al día IV en tres dosis por goteo lento. Dimercaprol (BAL) Arsénico, mercurio Caninos y felinos: 2.5 - 5 mg/kg IM cada cuatro horas durante las primeras 48 horas. Etanol Etilenglicol, metanol Caninos y felinos: 5.5 mL/kg solución al 20% IV cada 4 horas. Repetir cinco veces. Azul de metileno Nitritos, cloratos Bovinos: 8.8 mg/kg solución al 1% IV. Ovinos: 4.4 mg/kg solución al 1% IV. Por ser carcinógeno se considera un tiem- po de retiro de 180 días. No es efectivo en equinos. D-penicilamina Arsénico, cobre, mercurio Caninos: 110 mg/kg cada 24 horas PO. Felinos: 125 mg/kg PO cada 12 horas. Fitomenadiona Vitamina K1 Anticoagulantes cumarínicos Caninos y felinos: 2 - 5 mg/kg PO o SC. Otras especies: 0.5 - 2.5 mg/kg IM. Administración IV puede causar anafilaxis. Cloruro de pralidoxima (2-PAM) Organofosforados Caninos y felinos: 25 mg/kg IV. Equinos: 2 g IV. Bovinos: 20-50 mg/kg IV solución al 20%. Nitrito de sodio, tiosulfato sódico Cianuro Nitrito de sodio: 10-20 mg/kg IV en solución al 20%. Tiosulfato de sodio: 660 mg/kg IV en solución al 20%. Administrar grandes dosis de tiosulfato sin el uso de nitrito de sodio es también efectivo. PO: posología oral. IV: intravenoso. IM: intramuscular. SC: subcutánea. [116] introducción a la toxicología veterinaria El mecanismo de acción de los antídotos comúnmente empleados en toxicología se explica a continuación: Acetilcisteína: suministra los aminoácidos precursores para sintetizar glutatión, que sirve como un antioxidante biológico contra la toxi- cosis con acetaminofén. Sulfato de atropina: la atropina es un agente parasimpaticolítico que se une y bloquea la acción de la acetilcolina en los receptores musca- rínicos postsinápticos (receptores responsables del efecto tóxico), en caso de intoxicación con agentes anticolinesterasa (insecticidas organofosforados y carbamatos). Calcitonina: evita la movilización de calcio desde los huesos y aumenta su excreción por la orina, en caso de intoxicación con vitamina D. Edetato cálcico disódico (EDTA): actúa como un agente quelante formando un complejo en el cual el tóxico no está ionizado y por lo tanto no es absorbido fácilmente. Los metales que se pueden quelar con ���� son: plomo, cadmio, cobre, hierro y manganeso, que aumentan su solubilidad en la orina. Dimercaprol (British antilewisite-BAL): los grupos sulfidrilo del dimerca- prol se ligan al arsénico u otros metales evitando que éstos se unan a enzimas que tengan grupos sulfidrilo. Etanol: el etanol inhibe la enzima alcohol deshidrogenasa celular y evita la producción de metabolitos tóxicos por parte de los agentes meta- bolizados a través de esta vía. Azul de metileno (cloruro de metiltionina): es un agente reductor que co- rrige la metahemoglobinemia causada por nitritos o cloratos. Vitamina K1: es una fuente de grupos carboxilo que colaboran en la car- boxilación de los factores de coagulación dependientes de vitamina K, reversando el efecto de los anticoagulantes cumarínicos. Cloruro de pralidoxima (2-PAM): restaura la función de la acetilcolineste- rasa que había sido inactivada por los organofosforados. Nitrito de sodio, tiosulfato de sodio: el nitrito de sodio interactúa con la hemoglobina y el cianuro para formar cianometahemoglobina, menos tóxica que el cianuro. El tiosulfato suministra el sulfuro terapia y manejo de las toxicosis [117] necesario para reaccionar con el cianuro y formar tiocianato, que es fácilmente excretado en la orina. D-penicilamina: quela metales pesados, solubilizándolos en agua y eli- minándolos a través de la orina. Referencias O��������, G. D. 1996. The National Veterinary Medical Series for Independent Study: Toxicology, Williams & Wilkins, Philadelphia. P�������, M. E. 2001. “Toxicologic Decontamination”, in Small Animal Toxicology, Peterson M, Talco� P, (eds.), Saunders Company. P�������, R. 2004. “Treatment”, in Clinical Veterinary Toxicology, Plumlee K. H. (ed.) Mosby, Estados Unidos. R����, J. 2000. Manual de toxicología veterinaria, Multimédica S.A., Barcelona, Espa- ña. introducción a la toxicología analítica 8 [121] CAPÍTULO 8 Introducción a la toxicología analítica La toxicología analítica es una de las herramientas más importan- tes con que cuenta el toxicólogo clínico para llegar a un diagnós- tico correcto. Los otros elementos son la historia clínica, sintomatología clínica y hallazgos patológicos (macroscópicos, microscópicos y de pato- logía clínica). Las pruebas biológicas también pueden ser de gran ayuda diagnóstica en algunas intoxicaciones, como por ejemplo, la intoxicación con mollerosina en aves de engorde y de postura. En toxicología analítica veterinaria se emplean tanto métodos cua- litativos como cuantitativos de determinación de tóxicos; sin embargo, la tendencia universal es hacia la estandarización de técnicas cuantita- tivas sensibles y específicas, empleando los métodos más modernos de análisis instrumental. Los métodos más frecuentemente empleados en análisis toxicológico son los cromatográficos y los espectrofotométricos. Dependiendo del tóxico, pueden también emplearse otras técnicas como la potenciometría y el radioinmunoanálisis. La espectrometría de masas es la técnica más sofisticada disponible, pero desafortunadamente es costosa y requiere de formación especializada del analista. Las muestras remitidas para toxicología analítica pueden provenir del entorno del paciente (alimento, agua, aire) o del paciente mismo (ori- na, heces, vómito, contenido gástrico, órganos y tejidos). En el presente capítulo se describen brevemente los métodos analíticos más usados en toxicología analítica. Métodos cromatográficos La cromatografía es una de las técnicas más sencillas, eficientes y económicas utilizadas en la separación y posterior identificación de sustancias químicas. Fue desarrollada por el botánico ruso Mikhail [122] introducción a la toxicología veterinaria Tswe� en 1906, quien separó originalmente pigmentos vegetales (de ahí el nombre de la técnica). En 1956, el químico alemán Egon Stahl sentó las bases definitivas de la cromatografía al puntualizar los detalles de la cro- matografía en capa fina (Thin Layer Chromatography, TLC) y convertirla en una técnica confiable y reproducible. Posteriormente, basadas en los mismos principios de la TLC, aparecieron la cromatografía líquida de alta eficiencia (High-Performance Liquid Chromatography, HPLC) y la cro- matografía de gases (Gas Chromatography, GC). Los tres componentes básicos de un análisis cromatográfico son los siguientes: • La muestra: mezcla de compuestos a ser separados. Cada constitu- yente individual es conocido como componente. El componente de interés se conoce como analito. • Fase estacionaria: soporte sólido (HPLC, TLC) o líquido (GC) sobre el cual ocurre la separación de los componentes de la muestra. • Fase móvil (o eluyente): puede ser líquida (HPLC, TLC) o gaseosa (GC). Es la que se desplaza a través de la fase estacionaria para que se produzca la separación de los componentes. La separación en cromatografía ocurre gracias a una distribución diferencial de las sustancias entre las fases móvil y estacionaria.Los principales principios físico-químicos que permiten que ocurra la separa- ción de los componentes de la muestra son la adsorción y la partición. La adsorción es el principio que más se aplica en TLC. Gracias al fenómeno de adsorción, las sustancias son retenidas por el soporte (adsorbente) me- diante fuerzas electrostáticas de diferente intensidad según la polaridad de la sustancia, de tal forma que cuando la fase móvil pasa sobre la mues- tra arrastra las sustancias a diferente velocidad quedando separadas a lo largo de la cromatoplaca. La partición hace que las sustancias se separen gracias a la diferente solubilidad de éstas en la fase estacionaria (líquido impregnado en el adsorbente) y en la fase móvil. De esta forma los com- puestos más solubles en la fase estacionaria migrarán menos y los menos solubles migrarán más, logrando así la separación de la muestra en sus componentes. Los fenómenos de adsorción y partición no son excluyentes entre sí y en realidad se combinan para lograr la separación completa de los componentes de la muestra. Existe una relación directa entre la velo- cidad de migración de las sustancias, expresada en TLC como Rf (“Reten- tion factor”) y su coeficiente de partición lípido-agua. Compuestos muy introducción a la toxicología analítica [123] hidrófilos permanecerán, sobre todo, en la fase estacionaria o sea que migrarán muy lentamente; sustancias moderadamente hidrófilas migra- rán más rápidamente, ya que interactuarán en menor grado con la fase estacionaria, mientras que sustancias muy lipófilas –que prácticamente no se asocian a la fase estacionaria– serán transportadas rápidamente por la fase móvil. Con base en estas diferencias es posible separar muy bien una mezcla de compuestos. Las fases estacionaria y móvil se escogen de acuerdo con las características químicas de las sustancias que se van a separar de manera que las diferencias en la velocidad de migración de cada componente sea lo mayor posible. Una de las primeras formas de realizar separaciones cromatográfi- cas, y que aún se emplea, es la cromatografía en papel (PC), en la cual la fase estacionaria es la celulosa y el agua asociada a ella, y la fase móvil, solventes orgánicos. Las muestras por analizar se ubican en forma de pequeños círculos con la ayuda de una pipeta o jeringa hacia un extremo del papel a unos 2 cm del borde, dejando 1.5-2 cm de separación entre cada muestra. El papel se sumerge luego por este extremo en la fase móvil, evitando que las muestras se sumerjan en el líquido. El solvente asciende por capilaridad hacia el extremo opuesto; después de que al- canza el borde opuesto se retira el papel y se elimina la fase móvil por evaporación. De esta manera se separan los componentes de la mezcla que pueden visualizarse por el color, por su fluorescencia bajo luz ultra- violeta (UV) o por el desarrollo de color mediante la microaspersión de soluciones reveladoras (fig. 8.1). FIGURA 8.1. Ejemplo de cromatografía en capa fina (cromatografía en papel o en celulosa). Cámara Papel Frente del solvente Solvente [124] introducción a la toxicología veterinaria La cromatografía en columna abierta y en capa fina (TLC) utiliza otros tipos de fase estacionaria como la silicagel, óxido de aluminio (alú- mina) y florisil, en forma de partículas muy finas que son empacadas dentro de una columna de vidrio o que se adhieren a una placa de vidrio, acetato o aluminio en una de sus caras (cromatoplaca). Cromatografía en capa fina (TLC) Es una de las técnicas cromatográficas más utilizadas en la ac- tualidad debido a su bajo costo, rapidez y alta precisión. Consta de los siguientes elementos: • Cromatoplaca: consiste de una hoja de acetato, aluminio o vidrio, generalmente de 10 x 10 cm, recubierta en una de sus caras con el soporte o adsorbente sobre el cual se va a producir la separación cromatográfica (generalmente silicagel). • Fase móvil o eluyente: generalmente una mezcla binaria o ternaria de solventes orgánicos (no polares o de polaridad intermedia). • Cubeta o cámara de separación o de desarrollo: es simplemente un recipiente de vidrio con tapa que contiene el eluyente y la cromato- placa (fig. 8.2). • Aspersor: se requiere cuando los analitos por determinar no son visibles a simple vista o bajo luz UV y deben hacerse reaccionar con algún compuesto químico apropiado para poder visualizarlos (fig. 8.2). FIGURA 8.2. Cubeta cromatográfica para TLC (izquierda) y microaspersor (derecha). introducción a la toxicología analítica [125] Procedimiento: la muestra debe corresponder a una solución con una concentración del analito entre 0.01 y 1.0%. El solvente debe ser lo más volátil posible. La muestra se aplica o “siembra” en varias porciones pequeñas, dejando secar el solvente después de cada apli- cación con el fin de concentrar la sustancia en el punto de origen, lo cual es importante para obtener una buena separación. La siembra se hace a 10 -15 mm del borde inferior empleando una micropipeta, una microjeringa o un autosembrador. Los puntos de aplicación deben guardar distancias entre sí de 10-15 mm. Generalmente se siembran entre 5 y 20 µl de muestra cuyo diámetro en la placa no debe ser mayor de 5 mm. Para identificar los componentes de la muestra sospechosa deben sembrarse al mismo tiempo y en iguales condiciones, estándares de concentración conocida. La cromatopla- ca se desarrolla ubicándola en el recipiente de vidrio (figura 8.2), en cuyo fondo se ha puesto previamente el eluyente o fase móvil a una altura de 5-7 mm. Cuando el frente del solvente ha llegado aproxi- madamente a un centímetro debajo del borde opuesto al punto de aplicación de la muestra, se retira la cromatoplaca y se deja secar al ambiente. La identificación de las sustancias separadas se puede facilitar empleando un indicador fluorescente en el adsorbente que al ser excitado con luz UV de onda corta (254 nm) permite observar un contraste en donde se hallen las sustancias separadas. También, como en la cromatografía en papel, pueden asperjarse diferentes reactivos de coloración para la observación de las manchas que no sean visibles a simple vista (fig. 8.2). El parámetro empleado para identificar los compuestos es el Rf (Retención factor), el cual corres- ponde a la relación entre la distancia recorrida por la muestra y la recorrida por el frente del solvente (fig. 8.3). Usando TLC pueden obtenerse resultados cualitativos, semicuanti- tativos o cuantitativos, según la instrumentación disponible. Para cuanti- ficar sustancias con exactitud se requiere de un instrumento denominado «densitómetro», el cual puede medir la intensidad de la luz reflejada y/o transmitida por cada mancha. Esta información es registrada en forma de pico cromatográfico por un graficador. El área bajo la curva de cada pico cromatográfico es directamente proporcional a la cantidad de sustancia en cada mancha, lo cual permite hacer una evaluación cuantitativa usan- do una curva de calibración con estándares de concentración conocida. Los resultados semicuantitativos se obtienen comparando visualmente [126] introducción a la toxicología veterinaria el tamaño y/o intensidad de las manchas problema con las de manchas de estándares de concentración conocida. El margen de error de la esti- mación visual es de aproximadamente un 20%, en personal entrenado. FIGURA 8.3. La distancia entre las dos líneas punteadas corresponde a la distancia recorrida por la fase móvil. La distancia desde la línea inferior al centro de la mancha cromatográfica es la distancia recorrida por el analito. La figura muestra una cromatoplaca desarrollada en la cual aparecen cuatro componentes con valores de Rf aproximados de 0.05, 0.2, 0.5 y 0.9. Cromatografía líquida de alta eficiencia (HPLC) Inicialmente se denominó High Pressure Liquid Chromatography, de- bido a las altas presiones que se requerían para hacer fluir la fase móvil a través de las columnas cromatográficas. Desde 1978se cambió el nombre a High Performance Liquid Chromatography (HPLC). Ventajas de la HPLC: • Velocidad de análisis. Se pueden cuantificar sustancias con gran exactitud entre 10 y 15 minutos. • Alta resolución y eficiencia. Se considera una cromatografía termi- nal, posterior a cromatografías preparativas, tales como la croma- tografía en columna abierta o la TLC. • Gran sensibilidad. Pueden cuantificarse nanogramos (10-9) e incluso picogramos (10-12) de analito. Frente de solvente Línea de siembra introducción a la toxicología analítica [127] • Puede servir de cromatografía preparativa. Sirve para separar com- puestos para un análisis posterior o como técnica de purificación. • Amplio rango de aplicación. Sirve para determinar toda clase de compuestos (micotoxinas, medicamentos, vitaminas, aminoácidos, drogas de abuso, esteroides, grasas, enzimas, flavonoides, xantinas, etc.), con excepción de compuestos gaseosos. Limitaciones de la HPLC: • Instrumentación costosa (20,000 - 80,000 dólares). • Requiere considerable experiencia (6 -12 meses). • Funcionamiento costoso: los solventes, columnas y otros consumi- bles para HPLC son altamente costosos. Componentes de un sistema de HPLC (figura 8.4): • Fase móvil: puede ser un solvente orgánico o acuoso, o mezclas de solventes. La muestra debe ser soluble en la fase móvil. Si la muestra es no polar es necesario usar un solvente no polar y viceversa. El coeficiente de partición en el solvente de las sustancias a separar debe estar entre 1 y 10. El solvente tiene que ser de alta pureza para evitar contaminación en la columna cromatográfica y para obtener una adecuada línea basal (solventes grado HPLC). El agua debe ser grado HPLC o en su defecto destilada, desionizada y redestilada. Otra condición de los solventes para HPLC es que estén perfecta- mente filtrados, sin ninguna partícula en suspensión. Los solventes deben filtrarse a través de membranas Millipore® de diámetro de poro de 0.45 ìm. Es necesario escoger las membranas de acuerdo al tipo de solvente, ya que existen membranas para solventes acuosos, para solventes orgánicos, para soluciones tampón, etc. Una vez filtrado el solvente deberá ser desgasificado con el fin de evitar la presencia de burbujas que afectan la línea base y hacen imposible el análisis. Algunos métodos de desgasificación de solventes son los siguientes: o Aplicación simultánea de agitación magnética y vacío. o Aplicación simultánea de ultrasonido y vacío. [128] introducción a la toxicología veterinaria o Burbujeo de helio de alta pureza a través del solvente. o Uso de un instrumento que desgasifica el solvente a medida que es bombeado por el cromatógrafo (desgasificadores on line). FIGURA 8.4. Esquema de un cromatógrafo líquido de alta eficiencia (Perkin-Elmer serie 410). La fase móvil puede consistir de un solo solvente o de una mezcla de dos solventes (binaria), de tres (ternaria) o de cuatro (cuaternaria). Generalmente, se utilizan mezclas de dos o tres solventes, que deben ser miscibles entre sí (es necesario consultar una tabla de miscibilidad de solventes). La elución (paso de la fase móvil a través de la columna) puede ser de tipo isocrático o de gradiente. En la elución isocrática, el mismo solvente o mezcla de solventes se emplea durante todo el análisis. En la elución de gradiente o de programación de solventes se cambia la combinación de solventes a medida que avanza el análisis. • Bomba cromatográfica: consiste básicamente de una cámara de acero inoxidable con una entrada para el solvente, una salida del solvente (a alta presión) y un émbolo hecho de zafiro o rubí. Pueden trabajar a altas presiones (100 a 5,000-6,000 psi) aunque normalmen- te un análisis convencional se realiza a presiones de 400-500 psi. Fuente de helio regulada Válvula de salida Reservorio de solventes Bomba Válvula de ingreso Válvula de drenaje Jeringa de residuos Válvula para proporcionar solventes Hacia el detector Columna Válvula de inyección Transductor de presión Regulador de presión Filtro introducción a la toxicología analítica [129] • Inyector: sirve para introducir la muestra al sistema cromatográfico con el fin de que sea arrastrada por la fase móvil hacia la columna. Puede ser automático o manual. Un inyector manual consiste de una válvula con dos posiciones: de llenado («load») y de inyección («inject»). Mediante una microjeringa se introduce la muestra (ge- neralmente 10-50 ìl) al inyector, en la posición de llenado. Una vez «cargado» el inyector, se rota hacia la posición de inyección para que la muestra sea arrastrada por la fase móvil. • Columna: es el sitio en donde ocurre la separación de los compo- nentes de la muestra. Consiste de un tubo de acero relleno con partículas esféricas muy pequeñas (2-10 ìm). Su diámetro interno varía de 2-5 mm y su longitud de 5-30 cm. Usualmente, el material de relleno son sílicas modificadas químicamente (“fases reversas”), conocidas como RP-18, RP-8, etc. Antes de la columna se debe ubicar una “precolumna” o columna de guarda que generalmente tiene la misma fase estacionaria de la columna, aunque con diámetro de partícula mayor para evitar que ocurra separación. La precolumna protege la columna analítica de posibles contaminantes. • Detector: el más común es el ultravioleta-visible (UV-VIS). Se di- ferencia de un espectrofotómetro convencional en que posee una celda de flujo por donde pasa continuamente la fase móvil. Este detector y el de fluorescencia son los más usados en análisis toxi- cológico. Existen otras clases de detectores menos empleados, tales como el de índice de refracción (usado para azúcares), de conducti- vidad (usado para compuestos ionizados), etc. También es posible acoplar el HPLC a un espectrómetro de masas y usar este último como detector. Procedimiento: la muestra es puesta en el inyector e introducida al sis- tema cromatográfico. Al llegar a la columna los componentes de la muestra comienzan a separase de acuerdo con sus diferentes afinidades por la fase móvil y estacionaria. Cada componente de la muestra deja la columna a diferentes tiempos (“tiempo de reten- ción”, característico para cada sustancia y sistema cromatográfico específico) y llega al detector que envía una señal al integrador. El integrador grafica cada componente en forma de pico cromatográ- fico. El área bajo la curva de cada pico es directamente proporcional a la concentración de sustancia, lo cual permite hacer una cuantifi- cación precisa de cada sustancia (fig. 8.5). [130] introducción a la toxicología veterinaria FIGURA 8.5. Análisis de aflatoxinas por HPLC. Izquierda: estándar de las cuatro aflatoxinas de ocurrencia natural: B1, B2, G1 y G2. Derecha: afrecho de maíz contaminado con 20.1 ppb de aflatoxina B1 y 1.1 ppb de aflatoxina B2. El número que aparece encima de cada pico corresponde al tiempo de retención de cada aflatoxina. Cromatografía de gases (Gas Chromatography GC, Gas-Liquid Chromatography GLC) Es una herramienta analítica con varias aplicaciones en toxicología. Permite separar y cuantificar sustancias en cantidades de nanogramos con gran exactitud. Se utiliza principalmente en el análisis de compues- tos gaseosos o que se pueden volatilizar sin degradarse. Componentes de un cromatógrafo de gases: • Columna: pueden ser de vidrio, acero inoxidable o cuarzo. Su diá- metro es muy pequeño y se enrollan sobre sí mismas de manera que se pueden lograr grandes longitudes, especialmente con las introducción a la toxicología analítica [131] columnas capilares (25-30 m). Las columnas contienen un soporte sólido inerte, revestido de una fina capa de fase líquida, no volátil y que no debe reaccionar con las sustancias que se van a analizar. • Detector: existen varias clases de detectores, siendo el más utilizado el de “ionización en llama” (Flame Ionization Detector, FID), el cual se basa en la formación de productos ionizados al quemarse una sustancia orgánica.Los productos ionizados provocan un cambio en la capacidad de conducción eléctrica en el flujo de gas emergente que puede ser registrado y medido. Otro tipo de detector es el de captura de electrones (Electron Capture Detector, ECD) que se em- plea para determinar la presencia de sustancias de alta afinidad por electrones, como, por ejemplo, los compuestos halogenados. Este detector es indispensable para el análisis de insecticidas organoclo- rados, dioxinas y micotoxinas del grupo de los tricoticenos. Otras clases de detectores son el de conductividad térmica y el de nitróge- no-fósforo (NPD). Este último se usa para el análisis de insecticidas organofosforados. Todo detector contiene un registrador que mide la salida del voltaje y la transmite a un integrador del mismo tipo empleado en HPLC. • Programador: controla la temperatura de la columna. • Gas transportador: (fase móvil) es un gas inerte. Generalmente se usan He, N2 o Ar. Procedimiento: la sustancia que se quiere analizar debe ser volátil o debe poder volatilizarse (sin destruirse) a alta temperatura. Una pequeña cantidad de la muestra (1 a 10 µL) es inyectada mediante una microjeringa y es volatilizada antes de pasar a través de la co- lumna. El gas inerte transporta la muestra a través de la columna. La separación ocurre por las diferencias en el coeficiente de partición entre las dos fases, gaseosa y líquida. El gas corresponde a la fase móvil y el líquido a la fase estacionaria. Las diferentes fracciones de la muestra inyectada van apareciendo a tiempos distintos en el detector (“tiempo de retención”, característico para cada sustancia y sistema cromatográfico específico), en el cual se forma una señal que es amplificada y enviada a un graficador en donde se registra cada señal en forma de pico. El área bajo los picos es la medida que permite cuantificar la cantidad de cada una de las fracciones de la muestra (fig. 8.6). [132] introducción a la toxicología veterinaria FIGURA 8.6. Cromatograma del perfil de ácidos grasos en yema de huevo, obtenido por cromatografía de gases con detector de ionización de llama. Métodos espectrofotométricos Existen dos clases de espectrofotometría: espectrofotometría mo- lecular o de absorción y espectrofotometría atómica (conocida también como absorción atómica). La espectrofotometría se basa en el hecho de que cada sustancia o molécula absorbe energía en forma de radiaciones electromagnéticas, a frecuencias diferentes, de manera que la intensi- dad de la luz trasmitida por la sustancia, cuando un haz de radicación electromagnética la atraviesa, será siempre menor que la intensidad de la luz incidente. La radiación electromagnética utilizada en espectrofotometría pue- de ser monocromática (espectro visible, 400-800 nm), ultravioleta (UV, 200-400 nm) o infrarroja (IR cercano: 0.8-2.5 ìm, I.R. medio: 2.5-50 ìm, I.R. lejano 50-1000 ìm). En la espectrofotometría UV-visible son los electrones los que absorben energía, mientras que en la infrarroja son las molécu- las las que la absorben (por vibración, rotación, etc.). Las longitudes de onda correspondientes a los colores del espectro visible se muestran en la tabla 8.1. introducción a la toxicología analítica [133] Tabla 8.1. El espectro visible. Longitud de onda (nm) Color Color complementario 400-435 Violeta Azul-verdoso 435-480 Azul Amarillo 480-500 Azul-verdoso Rojo 500-560 Verde Púrpura 560-580 Amarillo-verdoso Violeta 580-595 Amarillo Azul 595-650 Anaranjado Verde-azuloso 650-750 Rojo Azul-verdoso Espectrofotometría ultravioleta-visible (UV-VIS) Cuando una onda de luz encuentra una molécula, existen dos posi- bilidades: que la luz sea dispersada (cambia su dirección de propagación) o que sea absorbida. El grado de absorción depende de la concentración de moléculas en el medio (fig. 8.7). Las moléculas o porciones de ellas que pueden absorber luz se llaman cromóforos. Los cromóforos son grupos químicos que absorben energía a una determinada longitud de onda y con una determinada intensidad. La intensidad de la luz trasmitida por los cromóforos es menor que la de la luz incidente. FIGURA 8.7. Variables de un análisis espectrofotométrico. Concentración C I0 I l [134] introducción a la toxicología veterinaria La medición de la cantidad absorbida en forma de luz por las molé- culas constituye el análisis fotométrico y su descripción matemática se conoce como la ley de Lambert-Beer: klc Io Ilog , en donde: Io = Intensidad de la luz incidente. I = intensidad de la luz transmitida. k = constante proporcional. l = longitud de la cubeta. c = concentración de la sustancia. El término de la izquierda de la ecuación se conoce como absorban- cia, y tiene relación lineal (directamente proporcional) con la concentra- ción de la sustancia en la muestra. La concentración de una sustancia en una muestra desconocida puede determinarse por su absorbancia, inter- polando en una curva de calibración previamente elaborada (fig. 8.8). FIGURA 8.8. Curva de calibración en un método espectrofotométrico. A bs or ba nc ia – lo g (l/ lo ) 0.3 0.2 0.1 0 0 1 2 3 4 Concentración (ppm) Absorbancia de una muestra desconocida Concentración de una muestra desconocida introducción a la toxicología analítica [135] Las mediciones de la absorbancia se realizan en un espectrofotóme- tro que consta de una fuente de luz, un monocromador para seleccionar la longitud de onda, un recipiente transparente para contener la muestra (generalmente de cuarzo), un detector de la luz y un medidor o registra- dor para medir las señales que envíe el detector (fig. 8.9). FIGURA 8.9. Diagrama esquemático de un espectrofotómetro (de doble haz). Procedimiento: inicialmente se mide la intensidad de la luz tras- mitida por el solvente de la muestra puro y se ajusta el monocromador a una absorbancia cero (ajuste del blanco); luego se ubica el solvente con la muestra y se mide la absorbancia de la muestra. De esta manera se determina la concentración de la sustancia problema en la muestra, comparando con las absorbancias obtenidas previamente (curva de ca- libración, fig. 8.8). En los instrumentos de doble haz (fig. 8.9) existen dos compartimentos: uno para el blanco y otro para la muestra. Espectrofluorometría Algunas moléculas, después de absorber fotones, emiten luz de mayor longitud de onda, es decir, de menor energía. A esta emisión se le denomina fluorescencia, que puede ser medida usando un espectro- fluorómetro. Este instrumento funciona de manera muy similar al espec- trofotómetro UV-VIS: un rayo de luz de elevada intensidad atraviesa un monocromador para seleccionar la longitud de onda de excitación, o sea una longitud de onda que sea eficientemente absorbida por el compuesto fluorescente. El haz de luz atraviesa una cámara o cubeta que contiene la muestra y la fluorescencia emitida en ángulo recto con respecto al rayo incidente (la fluorescencia es emitida, sin embargo, en todas direcciones) se hace pasar por un monocromador para seleccionar la longitud de onda Fuente Filtro o monocromador Espejo Celda para el blanco P0 Fotodectector Amplificador diferencial Lector Celda para muestra P Fotodectector [136] introducción a la toxicología veterinaria de emisión y, finalmente, llega a un detector que normalmente es un tubo fotomultiplicador (fig. 8.10). Como en la fluorescencia, tanto la frecuencia de la luz incidente, como la de la emitida, son características de una determinada sustancia; esta técnica sirve para determinar muy pequeñas cantidades de tóxicos en presencia de muchas otras sustancias. Un ejemplo de la aplicación de la espectrofotometría de fluorescencia en toxicología es la determina- ción de zinc-protoporfirina en sangre. En la intoxicación por plomo se encuentra bloqueada la síntesis del grupo hemo y debido a esto existe un exceso de zinc-protoporfirina. Este compuesto es fluorescente y puede detectarse por espectrofluorometría a concentracionestan bajas como 4 ng/ml de sangre, siendo suficiente una sola gota para diagnosticar intoxicación por plomo. FIGURA 8.10. Componentes de un fluorómetro o un espectrofluorómetro. Fuente Filtro de excitación o monocromador Radiación en dispersión Muestra Atenuador Filtro de emisión o monocromador Fotomultiplicador de referencia Fotomultiplicador Amplificador diferencial Lector introducción a la toxicología analítica [137] Espectrofotometría de emisión (Absorción Atómica, AA) Los átomos se pueden encontrar, o bien en estado de baja energía (estado basal) o en un estado de alta energía (estado excitado). La es- pectrofotometría atómica se basa en el hecho de que los átomos pueden absorber radiaciones de una particular longitud de onda cuando se en- cuentran en su estado basal. Cada elemento tiene una longitud de onda característica a la cual puede ser excitado. El sodio, por ejemplo, pasa del estado basal a su es- tado excitado I, cuando recibe una energía de 2.2 eV (longitud de onda = 589.0 nm) o a su estado excitado II, cuando le son aplicados 3.6 eV (lon- gitud de onda = 330.3 nm). De esta forma, los átomos de sodio absorben solamente luz de estas dos longitudes de onda y no absorben luz de ninguna otra longitud (fig. 8.11). FIGURA 8.11. Estados excitados I (589.0 nm) y II (330.3 nm) del sodio. Debido a que la diferencia entre los niveles energéticos y excitados es específica para cada elemento, la longitud de onda de la luz que se uti- liza depende de cada elemento particular. La fuente de luz utilizada en AA son lámparas especiales denominadas “lámparas de cátodo hueco” (Hollow Cathode Lamp, HCL), las cuales son hechas del mismo elemento que se va a analizar. 2.2 eV Estado excitado I 5890 Å 3300 Å Estado basal 0.0 eV Estado excitado II 3.6 eV 6 4 2 0 [138] introducción a la toxicología veterinaria FIGURA 8.12. Diagrama esquemático de un espectrofotómetro de absorción atómica. La concentración de átomos del elemento que se analiza puede calcularse a partir de la cantidad de luz que haya sido absorbida por la muestra. Una ventaja de este método es que no hay interferencias, ya que sólo los átomos del elemento en estudio absorben la luz emitida por el metal del cátodo hueco a medida que van pasando por el quemador (“atomizer unit”, fig. 8.12). La espectrofotometría de absorción atómica se emplea exclusivamente para la determinación de metales y los límites de detección de un buen instrumento comercial son (en ppb): Al, 0.05; Ca, 0.05; Cd, 0.003; Cr, 0.1; Cu, 0.05; Fe, 0.02; Mg, 0.004; Mn, 0.01; Pb, 0.05; Si, 0.8; Zn, 0.001. Espectrometría de masas Esta es, actualmente, la técnica instrumental más importante y universal en la investigación toxicológica, debido a que no sólo es capaz de identificar sustancias conocidas y de cuantificarlas en cantidades mínimas, aun en presencia de cantidades mucho mayores de otras sus- tancias, sino que también permite descubrir sustancias nuevas, como por ejemplo metabolitos de estructura desconocida. Su principal limitante es el altísimo costo del instrumento y su mantenimiento. La operación de los espectrómetros de masas se ha vuelto más sen- cilla y rutinaria, a pesar de la gran complejidad del sistema completo, debido al acoplamiento con cromatógrafos de gases y de líquidos y con sistemas computarizados. Estas mejoras han transformado la técnica, que inicialmente era empleada sólo por los químicos orgánicos para dilucidar estructuras desconocidas, en un método analítico universal. Existen diferentes tipos de espectrómetros de masas (cuadrupol, de sector magnético, etc.), fig. 8.13. En un instrumento de sector magnético la muestra se pone en una cámara de introducción, en la cual es volatiliza- do. La cámara está conectada a una fuente de ionización mantenida a alto Fuente de luz Atomizadores ópticos Unidad de atomizador Mono- cromador Detector Unidad de procesamiento de señal Lector introducción a la toxicología analítica [139] vacío (10-5-10-8 Torr) y allí las moléculas de la muestra son bombarbeadas por un haz de electrones de alta energía (70 eV), con lo que pierden uno o más electrones, quedando especies cargadas M+, M++, etc. Esta cámara contiene también un acelerador de iones que impulsa las especies carga- das hacia el sector magnético del aparato. Este consiste de una cámara de forma característica mantenida a alto vacío por bombas potentes y en la cual hay un intenso campo magnético producido por grandes imanes. Cuando las especies cargadas llegan al sector magnético su trayectoria sufre una deflexión que depende de la relación masa/carga (m/z) de cada especie. Por ejemplo, para una serie de iones con una carga positiva M+, la deflexión será mayor mientras menor sea su masa. Al otro extremo del sector magnético se haya el detector de iones que registra en forma pre- cisa los lugares de impacto y la descarga producida por ellos. Esta señal después de ser amplificada pasa a un graficador y/o a un computador para su posterior análisis. FIGURA 8.13. Componentes de un espectrómetro de masas. Muestra Sistema de ingreso Fuente iónica 10-5 – 10-8 torr Analizador de masas Detector Sistema de vacío Procesador de señal Lector [140] introducción a la toxicología veterinaria Referencias F����, B. and S�����, J. 1994. Thin Layer Chromatography - Techniques and Applications, 3a ed., Marcel Dekker, Inc., New York. M������, A. J. 1973. Instrumental Methods of Analysis, Paul Elek Scientific Books Ltd., London. M�����, R. (ed.). 1982. HPLC in Food Analysis. Academic Press, London. S��������, T. (ed.). 1998. 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Estas sustancias presentes en el medio son, en gran medida, producto del desarrollo tecnológico, el crecimiento demográfico y la agricultura tecnificada. La contaminación del ambiente se produce por la liberación de grandes cantidades de sustancias químicas, tanto sintéticas como na- turales, cuyas interacciones y efectos adversos sobre el medio y los seres vivos se conoce de manera incompleta o se desconoce totalmente. Hoy existen aproximadamente 100.000 sustancias de uso cotidiano, de las cuales tan sólo 4.000 han sido relativamente bien investigadas en cuanto a interacciones y efectos a largo y corto plazo. La cantidad de sus- tancias a las cuales se les conocen sus efectos aumenta muy lentamente por la dificultad y el costo de este tipo de investigaciones, por la deficien- cia de laboratorios y por la carencia de expertos en esta área. Mientras que las formas de materia que se vierten al ambiente ten- gan características que los seres vivos o el medio puedan transformar o eliminar continuamente, puede considerarse que la situación es estable. Sin embargo, debido al gran aumento en la cantidad de sustancias que ingresan a los ecosistemas, en muchos casos se ha rebasado la capacidad de éstos de transformar esta materia, produciendo una alteración en el equilibrio ambiental. Teniendo en cuenta la alteración de los ecosistemas por la liberación de sustancias químicas se ha postulado un concepto más amplio que el de toxicología ambiental: la ecotoxicología. Éstaes la ciencia que estudia la polución, su origen y los efectos sobre los seres vivos y sus ecosistemas. Los ecosistemas que pueden resultar afectados por los contaminantes son el terrestre, el acuático y el atmosférico. Este capítulo hace especial énfasis en la contaminación atmosférica. [144] introducción a la toxicología veterinaria Contaminación terrestre: el suelo es el elemento básico del medio na- tural; allí se inicia la contaminación que llega al agua y la atmósfera. El deterioro del suelo ocurre por diversas causas, entre ellas la ex- pansión de tierras de cultivo, el monocultivo, la contaminación con residuos, el sobrepastoreo, la deforestación, los incendios forestales, la erosión y la urbanización, entre otros. Contaminación acuática: los ecosistemas acuáticos son muy suscep- tibles a la contaminación, resultando altamente afectados por descargas directas o deposiciones atmosféricas o terrestres. Esta alta susceptibilidad obedece a varios factores, entre ellos, a la ma- yor solubilidad que pueden experimentar los contaminantes en el agua, la menor oxigenación del ambiente acuático que impide una degradación más rápida de los compuestos y la restricción de los organismos acuáticos en cuerpos de agua cerrados (lagos, lagu- nas). Las aguas superficiales, subterráneas y marinas son depósito de contaminantes de diversa naturaleza; esto afecta la calidad y cantidad de los recursos hídricos disponibles. La contaminación antropogénica supone vertimientos de aguas residuales urbanas, lixiviados, actividad agropecuaria, fugas o derrames, etc. Contaminación atmosférica: ocurre por la presencia de sustancias en la atmósfera, que resultan de actividades antropogénicas o de procesos naturales, y que producen efectos negativos en el hombre y el medio. Hasta la década de 1970 los problemas ocasionados por los contaminantes eran considerados restringidos a la proximidad de las fuentes de emisión. Hoy se reconoce el transporte global de los polutantes a través de la atmósfera, influenciado por factores meteorológicos como temperatura, dirección y velocidad del vien- to y el agua, radiación solar y presión atmosférica. El transporte global de muchas sustancias hace que éstas contaminen lugares distantes a las fuentes de emisión. La contaminación atmosférica genera varios problemas a los cuales nos vemos enfrentados hoy en día, como la lluvia ácida, la destrucción de la capa de ozono y los cambios climáticos. introducción a la toxicología ambiental [145] Contaminación atmosférica En 1998, la agencia de protección ambiental de los Estados Unidos (EPA) determinó los principales contaminantes atmosféricos antropo- génicos emitidos anualmente en este país. El 98% está representado por monóxido de carbono (CO; 52%), óxidos de azufre (SOx; 14%), óxidos de nitrógeno (NOx; 14%), compuestos orgánicos volátiles (COV; 14%) y ma- terial particulado (MP; 4%) (fig. 9.1). El 2% restante lo constituye el plomo, que ha disminuido más de un 90% desde 1983, cuando su presencia fue regulada en la gasolina y otros compuestos considerados contaminantes atmosféricos peligrosos. Obviamente, según el área específica, este pano- rama de emisiones puede variar. Así, por ejemplo, en zonas urbanas en donde los automóviles son la principal fuente de contaminación los po- lutantes que prevalecen son CO, COV y NOx, mientras que en cercanías de fundidoras de metal el SOx, metales y material particulado dominan el perfil de contaminación. FIGURA 9.1. Principales contaminantes atmosféricos emitidos en Estados Unidos (EPA, 1998). 60 CO SOx COV MP NOx Otros 50 40 30 20 10 0 CO: monóxido de carbono, SOx: óxidos de azufre, COV: compuestos orgánicos volátiles, MP: material particulado, NOx: óxidos de nitrógeno. Además de los mencionados polutantes, liberados directamente a la atmósfera y conocidos como contaminantes primarios, existen los de- nominados contaminantes secundarios que resultan de la interacción de dos o más primarios entre sí. Los ácidos nítrico y sulfúrico, responsables [146] introducción a la toxicología veterinaria de la lluvia ácida, son ejemplos de contaminantes secundarios, al igual que el ozono troposférico. Monóxido de carbono (CO) Es un gas incoloro e inoloro formado por la combustión incompleta del carbono en diferentes tipos de combustibles: 2C + O2 → 2CO En Estados Unidos los vehículos contribuyen con las ¾ partes del total de CO presente en la atmósfera. En las ciudades se encuentran las más altas concentraciones de este gas, de las cuales entre un 85 y 95% provienen de automotores. Como medida regulatoria, desde 1970 la EPA ha controlado las emisiones de gases emanadas por los autos, logrando una reducción del 40% del CO proveniente de estas fuentes; sin embargo, el número de vehículos en circulación aumenta anualmente. Otras fuen- tes de CO son procesos industriales, combustión de madera, incendios forestales, humo de cigarrillo, estufas a gas, etc. El CO se absorbe rápidamente a través de los pulmones y compite con el oxígeno por los sitios de unión a la hemoglobina (Hb), proteína a la cual gran parte del gas permanece asociado en el organismo, formando así la carboxihemoglobina. La afinidad de la Hb por el CO es 250 veces mayor que por el oxígeno. La toxicosis con CO conduce a una hipoxia sistémica tisular, cuyos efectos clínicos se observan cuando se alcanza un nivel de carboxihemoglobina del 25 al 30% (tabla 9.1). TABLA 9.1. Efectos clínicos asociados con el incremento de carboxihemoglobina sanguínea. Concentración de carboxihemoglobina en sangre (%) Efecto clínico < 1-3 Normal. 6-8 Habilidad disminuida para mantener la atención. 10-20 Dolor de cabeza, fatiga, irritabilidad. 20-30 Debilidad, vértigo, nacimientos prematuros en cerdos. 30-60 Aumento de frecuencia cardiaca y respiratoria, cambios en electro- encefalograma, coma. >60 Usualmente fatal. introducción a la toxicología ambiental [147] Oxidos de azufre - SOx (dióxido de azufre - SO2 y trióxido de azufre - SO3) El azufre, normalmente presente en combustibles fósiles (petróleo crudo y carbón), durante la combustión reacciona con O2 formando SO2: S(presente en combustibles) + O2 → SO2 Este gas también puede formarse cuando la gasolina es extraída del petróleo o cuando metales que contienen azufre (Al, Cu, Zn, Pb, y Fe) son purificados: 2PbS + 3O2 → 2PbO + 2SO2 A partir del SO2, en procesos industriales y también con el oxígeno atmosférico, puede formarse SO3 : 2SO2 + O2 → 2SO3 Estos gases pueden disolverse fácilmente en agua y vapor de agua formando ácidos. Además, interactúan con otros gases y partículas en el aire. Las plantas generadoras de electricidad impulsadas por carbón son la fuente principal de óxidos de azufre, aportando un 67% de éstos a la atmósfera. Otras fuentes son los vehículos, las industrias, las refinerías de petróleo, etc. El SO2 es un gas irritante que produce dificultad respiratoria, bron- coconstricción, irritación ocular y de garganta e hipersecreción de moco. Los óxidos y partículas de sulfato que se forman a partir de estos gases son la principal causa de reducción de la visibilidad en muchas áreas de Estados Unidos. El SO2 puede ser transportado a grandes distancias haciendo que los problemas que ocasiona no se confinen únicamente a las áreas donde éste ha sido emitido. Óxidos de nitrógeno - NOx (óxido nítrico o monóxido de nitrógeno - NO, dióxido de nitrógeno - NO2) Son gases altamente reactivos, la mayoría incoloros e inoloros; sin embargo, cuando el NO2 se combina con partículas del aire, forma una capa café rojiza sobre las ciudades. El NO se forma en el aire por reacción entre el N2 y el O2, durante las altas temperaturas generadas por el uso de combustibles fósiles: [148] introducción a la toxicología veterinaria N2 + O2 → 2NO El NO2 se forma por reacción del NO con el O2: 2NO + O2 → 2NO2 Las principales fuentes de emisión de estos gases son las industrias, plantaseléctricas y automotores. Los NOx participan en la formación de contaminantes secundarios en el aire, convirtiéndose fácilmente en ácido nítrico (HNO3) y nitratos (NO3 –) que, formando parte de la lluvia o de macropartículas, se depo- sitan sobre la tierra o el agua. Estos contaminantes pueden alcanzar los alvéolos, produciendo problemas respiratorios por afección pulmonar; así mismo, causan disminución de la visibilidad por bloqueo en la transmisión de la luz. Además, el NO puede formar radicales nitratos, nitroarenos y nitrosaminas, considerados compuestos mutagénicos. Cuando las sustancias nitrogenadas formadas a partir de los NOx se depositan sobre los cuerpos de agua, se genera una sobrecarga de nu- trientes que deteriora su calidad, generando eutroficación. La eutrofica- ción es el proceso por el cual se incrementa la productividad en un cuerpo de agua como respuesta a un aumento en la concentración de nutrientes. Éste puede conducir a pérdida del volumen de agua que es reemplazado por materia orgánica, convirtiendo el área en una zona seca. Además de los efectos mencionados, los NOx están involucrados en la generación de impactos ambientales preocupantes, como la formación de ozono troposférico y de lluvia ácida. Desde 1970, cuando la EPA empezó a controlar las emisiones de los principales polutantes del aire, los NOx han aumentado aproximadamen- te en un 10%, siendo el único de los contaminantes que no ha reducido sus niveles atmosféricos durante este período. Compuestos orgánicos volátiles (COV) Son gases emitidos por hidrocarburos de pequeño tamaño molecu- lar, sin carga, usados como solventes químicos, que ingresan a la atmós- fera por evaporación. El frecuente uso de estos productos ha conducido a su amplia diseminación en el ambiente. Estos solventes se usan como diluyentes de materiales insolubles en agua, y se emplean ampliamente como desengrasantes, constitu- yentes de pinturas, barnices, tintas, aerosoles, adhesivos, productos de limpieza, plaguicidas, materiales para construcción, líquidos correcto- introducción a la toxicología ambiental [149] res, marcadores permanentes, soluciones para fotografía, aditivos para combustibles, etc. Los COV más comunes son el benceno, el etileno y el etilbenceno. Por su uso especialmente doméstico y de oficina, las concentraciones de muchos COV son mayores en el interior de las edificaciones que en el aire libre. Sin embargo, estos compuestos pueden diseminarse fácil- mente. Una vez ingresan a la atmósfera el viento los diluye y dispersa e incluso pueden contaminar aguas de suministro, especialmente las subterráneas. Los COV pueden producir irritación ocular, incomodidad en nariz y garganta, dolor de cabeza, disnea, alergias en piel, emesis, fatiga, epis- taxis, vértigo y alteración del sistema nervioso central. Los COV, junto con los NOx, participan en la formación de ozono troposférico. Material particulado (MP) Este término describe la mezcla de material orgánico e inorgánico encontrado en el aire, cuya composición relativa puede variar. Según su tamaño y conformación estas partículas se han clasificado en 1) polvos, con diámetro entre 1 y 100 µm; 2) humos, con diámetro < 1 µm; 3) niebla, suspensión de pequeñas gotas líquidas de diámetro > 10 µm formadas por la condensación de un vapor; y 4) aerosoles, que incluye humos y nieblas. El Material particulado (MP) puede provenir de automóviles, buses y camiones con motores diesel, fábricas, sitios de construcción, carreteras sin pavimentar, combustión de madera, etc. También puede formarse cuando los gases emanados por combustibles fósiles reaccionan con luz solar y vapor de agua. El MP que se suspende en el aire por largos períodos de tiempo ocasiona enfermedad cardiaca y pulmonar, disminuye la visibilidad y deteriora monumentos de importancia histórica. Al transportarse se deposita en el suelo y el agua, cambiando el balance químico y de nu- trientes, acidificando lagos, deteriorando cultivos, generando erosión y afectando la diversidad de los ecosistemas. Ozono troposférico (O3) Cerca de la superficie terrestre, en la tropósfera, el ozono puede for- marse por una reacción química que involucra NOx y COV, en presencia [150] introducción a la toxicología veterinaria de luz solar y altas temperaturas. Este contaminante es considerado parte de los oxidantes fotoquímicos junto con los NOx y los hidro- carburos (la gran mayoría COV) que se encuentran especialmente en ciudades con tráfico pesado. A pesar de que el O3 troposférico es nocivo, no todo el O3 atmosférico es indeseable; a 10 km de la superficie terres- tre, en la estratósfera, el O3 absorbe la radiación ultravioleta corta que proviene del sol, evitando que ésta alcance niveles inferiores y afecte la vida en la tierra. Las concentraciones de oxidantes fotoquímicos presentan un patrón diurno, dependiendo de la densidad de tráfico, luz solar y condiciones atmosféricas. Bajo condiciones meteorológicas normales estos compuestos se disipan a través de dilución por masas de aire frescas o por su involucramiento en otras reacciones fotoquímicas. Sin embargo, en algunas ciudades las condiciones topográficas y la presión atmosférica se combinan, produciendo capas de aire cálido que atrapan contaminantes cerca de la superficie terrestre. Los precursores del O3 troposférico pueden ser transportados por el viento, contribuyendo a la formación de O3 en áreas aparentemente “lim- pias” en donde interfiere con la capacidad de las plantas para almacenar nutrientes, haciéndolas más susceptibles a enfermedades, insectos, conta- minantes y al clima. Así, pueden afectarse plantas de cultivo, reduciendo su capacidad de producción. En el oriente de Estados Unidos se estima una reducción del 12% en la producción de varios cultivos que incluyen papa, soya, maíz y tomate, por causa del O3 troposférico. La inhalación de O3 ocasiona una variedad de problemas; por ejemplo, tos, náusea, irritación de garganta y congestión. Puede además conducir a bronquitis, enfermedad cardiaca, enfisema, asma y reducción de la capacidad pulmonar. Si la exposición a O3 es repetida puede produ- cirse daño pulmonar permanente. Contaminación atmosférica en la ciudad de Bogotá El Departamento Técnico Administrativo del Medio Ambiente (DAMA) creó, en agosto de 1997, en Bogotá, un sistema de monitoreo ambiental conocido como la Red de Calidad del Aire. Este sistema está constituido por una estación central de recepción de datos y 14 estacio- nes remotas, distribuidas en diferentes localidades de la ciudad (mapa 9.1, tabla 9.2). A través de la información que genera la red, se detectan introducción a la toxicología ambiental [151] puntos críticos respecto a zonas que requieren atención prioritaria y a contaminantes que alcanzan concentraciones de interés. Los parámetros determinados en cada estación son: PM10 (material particulado menor a 10 micras), PST (partículas sólidas totales), SO2, NO2, CO y O3. Estos contaminantes, medidos a diferentes intervalos de tiempo, son enviados y reportados a la estación central, donde se analizan según las normas para niveles críticos de contaminantes (resolución DAMA 391/01) (tabla 9.3). MAPA 9.1. Ubicación de las estaciones de la Red de Calidad del Aire de Bogotá. TABLA 9.2. Características de las zonas donde se encuentran ubicadas las estaciones. Sector Estaciones Características Norte Universidad del Bosque Escuela de Ingeniería Zona residencial de baja densidad poblacional y alto tráfico vehicular. Nor-occidental Carrefour calle 80 Universidad Juan Corpas Fontibón Alto tráfico vehicular y uso residencial y comercial. Sur Hospital Olaya Central de mezclas Alto tráfico vehicular, uso residencial, comercial. Sur-occidente Sony Music Cazucá Zona industrial con alto tráfico vehicular y uso residencial. Central Ministerio del Medio Ambiente Alto tráfico vehicular y uso residencial, comercial e institucional. Centro-occidente Cade-EnergíaMerck Zona industrial con alto tráfico vehicular y uso residencial. SECTOR NORTE SECTOR CENTRAL SECTOR NOR-OCCIDENTE SECTOR CENTRO OCCIDENTE SECTOR SUR SECTOR SUR-OCCIDENTE NORTE 1 10 6 14 11 8 2 5 13 12 4 C 3 7 9 1. Universidad del Bosque 2. Min. Medio Ambiente 3. Sony Music 4. Hospital Olaya 5. Universidad Nacional 6. Carrefour 7. Cazucá 8. Escuela de Ingeniería 9. Central de Mezclas 10. U. Santo Tomás 11. U. Juan N. Corpas 12. Cade Energía 13. Merck - Puente Aranda 14. Hilandería Fontibón C. Central [152] introducción a la toxicología veterinaria TABLA 9.3. Normas para los niveles críticos de contaminantes según DAMA, res. 391/01. Contaminante Período Norma Comentario PM10 Anual 65 µg/m3 Promedio aritmético de las concentraciones medias horarias en 365 días. 24 horas 170 µg/m3 Concentración promedio horaria en 24 horas. PST Anual 95 µg/m3 Promedio geométrico de las concentraciones medias hora- rias en 365 días. 24 horas 340 µg/m3 Concentración promedio horaria en 24 horas. SO2 Anual 34 ppb Promedio aritmético de las concentraciones medias horarias en 365 días. 24 horas 141 ppb Concentración promedio horaria en 24 horas. 3 horas 546 ppb Concentración promedio horaria en 3 horas. NO2 Anual 52 ppb Promedio aritmético de las concentraciones medias diarias en 365 días. 24 horas 121 ppb Concentración promedio horaria en 24 horas. 1 hora 168 ppb Concentración promedio horaria. CO 8 horas 11 ppm Concentración promedio horaria en 8 horas. 1 hora 39 ppm Concentración promedio horaria. O3 1 hora 83 ppm Concentración promedio horaria. 8 horas 65 ppm Concentración promedio horaria en 8 horas. El informe de 2001 de la Red de Calidad del Aire de Bogotá seña- laba que la concentración de PM10 supera el 30% de la norma diaria en la mitad de las estaciones de la red, situación altamente focalizada en el occidente de la ciudad. El NO2 excede el 6.5% de la norma horaria en el centro de la ciudad (estaciones Universidad Nacional y Ministerio del Medio Ambiente -MMA), haciendo necesario disminuirlo en los sectores central y suroccidental. El O3 supera los niveles permitidos y es consi- derado en este informe como un contaminante crítico; se destaca que en las estaciones de MMA y Cazucá, las máximas concentraciones horarias exceden la norma más de dos veces. La única estación que no excede la norma es la del Olaya. El CO y el SO2 para este período presentaron una baja prioridad de control, ya que no superan los niveles permitidos. introducción a la toxicología ambiental [153] Impactos ambientales ocasionados por contaminantes atmosféricos Lluvia ácida Es un término amplio usado para describir varias formas en las que los ácidos caen desde la atmósfera. Un término más preciso es el de de- posición ácida, que involucra una porción húmeda y una seca. La depo- sición húmeda se refiere a la lluvia, niebla y nieve. La seca hace referencia a los gases y a las partículas. Aproximadamente la mitad de la acidez en la atmósfera cae a la tierra en forma seca. Ésta, a su vez, puede ser lavada por lluvia ácida, disminuyéndose aún más el pH. El SO3 y los NOx son la principal causa de la deposición ácida. La acidez ocurre cuando estos gases reaccionan en la atmósfera con vapor de agua, partículas y otros químicos, formando varios compuestos que contienen ácidos sulfúrico y nítrico: Producción ácido sulfúrico SO3 + H2O → H2SO4 Producción ácido nítrico 3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO Los efectos de la precipitación ácida son diversos: afecta bosques, suelos, construcciones, disminuye la visibilidad, perjudica la salud de los seres vivos, entre otros. Los cuerpos de agua se acidifican cuando su suelo tiene escasa capacidad buffer y no puede amortiguar suficien- temente la precipitación hasta neutralizarla, afectando de esta manera peces y otros organismos acuáticos. En condiciones ácidas aumenta la movilidad y toxicidad de algunos metales traza, presentes en cuerpos de agua. Por ejemplo, la concentración de Al en lagos ácidos del suroriente de Noruega y del nororiente de Estados Unidos es 5 a 10 veces mayor que la de lagos aledaños con pH neutro. Depleción de la capa de ozono A 50 km de la superficie terrestre, en la estratósfera, está la capa de ozono que protege la vida en la Tierra de los rayos ultravioleta pro- venientes del Sol. El O3 ocurre de manera natural en la estratósfera y es producido y destruido a una tasa constante. Sin embargo, este equi- librio se está perdiendo, conduciendo a una depleción gradual del O3 ocasionada por compuestos sintéticos como clorofluorocarbonos (CFC), haluros y sustancias que son usadas como refrigerantes, extintores de fuego y solventes. [154] introducción a la toxicología veterinaria Los químicos que disminuyen el O3 se degradan lentamente y pue- den permanecer intactos por muchos años hasta llegar a la estratósfera, en donde se rompen por acción de la radiación UV del Sol y liberan moléculas de cloruro y bromuro (Cl2 y Br2). Cada una de estas moléculas puede destruir hasta 100.000 moléculas de O3, ocasionando una pérdida más rápida que la capacidad natural para generarlo. Los químicos que destruyen el O3 se demoran años en llegar a la estratósfera, y aunque se ha reducido o eliminado el uso de muchos CFC, los liberados en épocas anteriores apenas comienzan a ejercer su efecto. La pérdida más notable de la capa de ozono ocurre en los polos terrestres, ya que las condiciones climáticas extremadamente frías favo- recen su destrucción. En la Antártida ha sido observada una depleción superior al 50% del ozono atmosférico total. Una vez los CFC llegan a la estratósfera, la radiación UV-b los des- truye, liberando cloro atómico. En presencia de estos átomos los oxígenos impares (oxígeno atómico y ozono) se unen para formar dos moléculas de oxígeno molecular. El cloro inicialmente reacciona con el ozono para formar monóxido de cloro (ClO) y oxígeno molecular (reacción 1). Después el átomo de cloro se recupera por la reacción con oxígeno atómico (reacción 2). El resultado neto es la depleción de oxígeno atómico y ozono. (1) Cl + O3 →Đ ClO +O2 (2) ClO + O → Cl + O2 resultado neto: O3 + O → 2 O2 La radiación UV-b que no es detenida por el ozono estratosférico puede producir cáncer en la piel, cataratas y disfunción del sistema in- mune. Además, afecta cultivos sensibles, disminuyendo las cosechas, y se sospecha que puede causar descenso en el fitoplancton, afectando la vida en los mares y contribuyendo al calentamiento global por aumento en el CO2 atmosférico. El incremento en la radiación UV-b puede ser un instrumento para la formación del ozono troposférico. Calentamiento global La energía del Sol calienta la superficie terrestre que a su vez la irradia de regreso hacia el espacio. Los gases invernadero atmosféricos atrapan parte de la energía reflejada reteniendo calor, y ejerciendo así una introducción a la toxicología ambiental [155] acción similar a la función que tienen los paneles de vidrio de un inver- nadero (figura 9.2). Sin este efecto natural, la temperatura en la superficie terrestre sería mucho más baja que la existente y la vida como se conoce hoy, no sería posible. Los gases invernadero de ocurrencia natural son vapor de agua, CO2, óxido nitroso (N2O), metano (CH4) y O3 estratosfé- rico. Cuando la concentración atmosférica de estos gases se incrementa debido a las actividades humanas, el efecto invernadero natural de la tierra aumenta. FIGURA 9.2. El efecto invernadero. El hombre ha alterado la composición química de la atmósfera a través de la liberación de gases invernadero, principalmente CO2, CH4 y N2O, que permanecen allí por largos períodos de tiempo. Desde el comienzo de la Revolución Industrial, las concentraciones atmosféricas de CO2 se han incrementado en un 30%, las de CH4 se han duplicado y las de N2O han aumentado en un 15%. Aunque la cantidad de CO2 liberada por las actividades humanas es diez veces menor a la liberadapor la respiración de las plantas y la descomposición de la materia orgá- nica, el CO2 producido de manera natural, hasta antes de la Revolución Industrial, estuvo en equilibrio, pues era absorbido por los océanos y la vegetación terrestre. Desde hace un siglo se ha registrado un calentamiento de 0.5° C, que ha sido acelerado durante las últimas dos décadas. Este incremento en la temperatura ha sido global, e incluye los dos hemisferios y la super- ficie oceánica. En la historia del planeta han ocurrido ciclos periódicos Parte de la radiación es reflejada por la Tierra y la atmósfera. Parte de la radiación infrarroja pasa a través de la atmósfera y parte es absorbida y re-emitida en todas las direcciones por moléculas de gases invernadero, resultando en calentamiento de la superficie terrestre y de la atmósfera inferior. La mayoría de la radiación es absorbida por la superficie terrestre y la calienta. La radiación solar pasa a través de la atmósfera. La superficie terrestre emite radiación infrarroja. TIERRA SOL [156] introducción a la toxicología veterinaria de calentamiento y enfriamiento, haciendo difícil comprobar cualquier relación causal entre la composición de los gases en la atmósfera y los cambios de temperatura. Sin embargo, la IPCC (Panel Intergubernamen- tal en Cambio Climático) sostiene que la mayor parte del calentamiento que sucedió durante los últimos 50 años obedece a la liberación de gases invernadero por actividades humanas. En Estados Unidos, el uso de combustibles fósiles que impulsa au- tomotores, calefactores domésticos y empresariales, centrales eléctricas y producción industrial es responsable del 98% de las emisiones de CO2, del 24% de las de CH4 y del 18% de las de N2O. Estos gases son también producidos por actividades agrícolas, mineras y por la deforestación. El empleo de fertilizantes en agricultura es una de las principales fuentes de N2O. El CH4 es emitido durante la producción y transporte de carbón y la extracción de gas natural y petróleo, al igual que por la descomposición de desechos orgánicos y la producción pecuaria. El O3 puede afectar también el calentamiento global; la formación de O3 troposférico contribuye al efecto invernadero, mientras que la de- pleción de O3 estratosférico disminuye la absorción de radiación solar y permite que más calor se escape de la atmósfera superior al espacio. Otros gases que generan efecto invernadero, que no son de ocurren- cia natural, pertenecen a los halocarbonos, entre ellos los hidrofluoro- carbonos (HFC) y perfluorocarbonos (PFC). Estos han sido usados como sustitutos de sustancias que destruyen la capa de ozono y son conside- rados como los de mayor habilidad al absorber calor en la atmósfera, mientras que el CO2 es el gas que absorbe menos calor por molécula. El CO2 es usado como referencia para determinar la absorción de calor por parte de los demás gases invernadero. Así, el CH4 y el N2O atrapan res- pectivamente 21 y 270 veces más calor por molécula que el CO2. Se desconoce científicamente cuánto más se calentará la Tierra, qué tan rápido ocurrirá y cuáles son los efectos potenciales que se des- encadenarán. Es posible que el fenómeno periódico de calentamiento del Océano Pacífico Ecuatorial (El Niño) pueda deber el incremento en su frecuencia al calentamiento global; igualmente se sospecha que el aumento en el nivel del mar, del orden de 10 a 20 cm en los últimos cien años, obedece a este fenómeno. Así mismo, se espera que ocurran tormentas más intensas y frecuentes. Los científicos han identificado que la salud humana, las fuentes de agua, los bosques, la vida silvestre y las áreas costeras son vulnerables a los cambios que el calentamiento global puede originar. introducción a la toxicología ambiental [157] En 1997, Estados Unidos emitió cerca de la quinta parte de los gases invernadero en todo el mundo. En el 2000, estas emisiones se incremen- taron respecto a los años anteriores, llegando a 7.000,2 teragramos de equivalentes de CO2 (Tg CO2 Eq). Este aumento, en parte, se atribuye a: el crecimiento robusto de la economía que incrementó la demanda por elec- tricidad y combustibles para transporte en este país; las condiciones de invierno más frías comparadas con los años anteriores, que condujeron al aumento en la demanda por calor; y la disminución en la producción de energía hidroeléctrica y aumento en la generación de electricidad a través de combustibles fósiles. Se estima que para el año 2100, en ausencia de políticas de control de emisiones, los niveles de estos gases puedan aumentar hasta en un 150% y la temperatura global se incremente de 1.4 a 5.8°C. De acuerdo con este panorama, en 1997, varios países se acogie- ron al Protocolo de Kyoto, que pretende disminuir los niveles de gases invernadero a los conocidos en 1990. Así, Japón debería reducirlos en un 6%, Estados Unidos en un 7% y Europa en un 8%. Sin embargo, en el 2001, Estados Unidos se retiró, dejando incierto su futuro respecto al acuerdo. Referencias A�����, L. 1988. Curso básico de toxicología ambiental, Limusa, México. C���, M. 2002. Principios de ecotoxicología. Diagnóstico, tratamiento y gestión del medio ambiente, McGraw-Hill, Madrid. C�����, T. 2004. “Household and Industrial Products, Gases”, in Clinical Veterinary Toxicology, Plumlee K. (ed), Mosby, Estados Unidos. C����, D. “Environmental Toxicology. Air Pollution. 2001”, in Klaassen C. D. (ed) Casare� and Doull’s Toxicology, The Basic Science of Poisons 6a ed., McGraw-Hill, NewYork. W�����, D. A and W�������, P. 2002. Environmental Toxicology, Cambridge University Press, UK. Páginas web consultadas h�p://www.epa.gov h�p://www.dama.gov.co introducción a las plantas tóxicas 10 [161] CAPÍTULO 10 Introducción a las plantas tóxicas El papel ecológico de las toxinas presentes en las plantas Las plantas contienen numerosas sustancias tóxicas que las prote- gen de sus “enemigos naturales”, los animales herbívoros. Tanto plantas como animales cohabitan el planeta y dependen mutuamente unos de otros. La capacidad fotosintética de las plantas les permite utilizar la energía solar, el dióxido de carbono y el agua para sintetizar compuestos orgánicos, liberando oxígeno en este proceso. Los animales utilizan el oxígeno y los compuestos orgánicos sintetizados por las plantas (nu- trientes) y eliminan CO2, el cual es utilizado por las plantas. Esta relación planta-animal ha mantenido la biosfera durante billones de años. No resulta particularmente útil para las plantas que sean consumidas por los herbívoros hasta extinguirse, ni hacerse totalmente resistentes a los animales de manera que estos se extingan, ya que tanto plantas como animales conviven en una relación de mutuo beneficio. Las toxinas pre- sentes en las plantas juegan un papel muy importante en esta relación. Debido a que las plantas son inmóviles e incapaces de protegerse de los ataques de los herbívoros huyendo de ellos, han desarrollado estrate- gias físicas y químicas de defensa: Defensas físicas: producen daño físico en el animal o impiden el consumo de la planta por parte del animal. Ejemplos: - Espinas (tanto en forma de aguja como en forma triangular). - Hojas vellosas. - Hojas cubiertas de cera. [162] introducción a la toxicología veterinaria - Tejidos altamente lignificados y cargados de silicio. - Agujas microscópicas. Defensas químicas: tienden a hacer que la planta no sea palata- ble para el animal, ya sea a través del olor o del sabor. Sin embargo, la mayoría de compuestos produce alteraciones clínico-patológicas en el animal. Ejemplos: - Compuestos amargos: alcaloides, glucosinolatos, saponinas. - Compuestos con olores desagradables: terpenos, aceites esencia- les. - Compuestos astringentes: taninos –reaccionan con los receptores del gusto. - Compuestos que alteran el metabolismo normal del animal. La mayor presión de selección de las plantas para la producciónde toxinas proviene de los insectos herbívoros, de microorganismos fitopa- tógenos y no de grandes animales. Debido a sus cortos ciclos de vida, los insectos y microorganismos desarrollan rápidamente resistencia a las toxinas de las plantas, ejerciendo una presión de selección en la planta, que conlleva a una mayor síntesis de sustancias tóxicas o al desarrollo de nuevas sustancias químicas. Las plantas y los animales coevolucionan La coevolución de plantas y animales implica que los cambios quí- micos que se presentan en las plantas como respuesta a los herbívoros conlleven al desarrollo de cambios metabólicos compensatorios en los herbívoros, tendientes a la adaptación a los nuevos compuestos químicos sintetizados por la planta. La coevolución, por lo tanto, consiste en la serie de cambios continuos que llevan a la producción de nuevas sustancias químicas por parte de la planta, y al desarrollo, por parte del animal, de sistemas enzimáticos capaces de metabolizar estas sustancias. En la mayoría de casos, la intoxicación de herbívoros grandes por plantas tóxicas es un suceso colateral, ajeno al papel real que juegan las toxinas en la protección de las plantas contra los insectos. Los herbívoros grandes juegan un papel más importante, estimulando la evolución de defensas introducción a las plantas tóxicas [163] físicas, tales como las espinas. Por otra parte, algunas toxinas, como los compuestos fenólicos, probablemente evolucionaron como una forma de proteger a las plantas contra la radiación ultravioleta, la cual era mucho más intensa cuando las Angiospermas aparecieron sobre la Tierra (los compuestos fenólicos son excelentes antioxidantes). Estrategias de defensa de los animales Los animales han desarrollado diversas estrategias para defenderse de los efectos nocivos de las plantas tóxicas. Las defensas físicas pueden ser superadas mediante estrategias de alimentación desarrolladas con el fin de arrancar delicadamente las hojas, evitando el contacto con las espinas (por ejemplo: cabras y jirafas). Otros animales han desarrollado una cavidad oral resistente a las espinas y logran consumir y macerar las espinas sin ser afectados (por ejemplo: el rinoceronte). Las defensas químicas pueden controlarse de varias maneras. Las cabras y ovejas toleran los compuestos amargos y pueden consumir plan- tas no palatables para los bovinos. En el tracto digestivo de los rumiantes pueden ocurrir procesos de detoxificación, lo cual hace que los rumiantes sean más resistentes a las toxinas de las plantas que los monogástricos, debido a la degradación o inactivación de toxinas vegetales por parte de la microflora ruminal. El hígado es el órgano de detoxificación más importante y está localizado estratégicamente para “interceptar” las toxinas absorbidas en el tracto digestivo y evitar que éstas alcancen la circulación sistémica. El hígado contiene numerosas enzimas y proteínas que participan de la fase I, fase II y fase III del metabolismo de xenobió- ticos. Los sistemas enzimáticos de detoxificación del hígado son muy poco específicos y actúan sobre cientos de compuestos, lo cual le brinda al animal la posibilidad de metabolizar y eliminar muchas sustancias tóxicas, tanto naturales como sintéticas (herbicidas y pesticidas). Muchas enzimas hepáticas son fácilmente inducibles, permitiendo una rápida detoxificación como respuesta a la ingestión de toxinas. Existe un alto grado de variabilidad en cuanto al tipo y actividad de las enzimas hepáticas entre diferentes especies e incluso individuos, lo cual proporciona la base genética para la evolución de especies con dife- rente susceptibilidad a las plantas tóxicas (por ejemplo: caprinos vs. bo- vinos). De esta forma, las toxinas presentes en las plantas tóxicas juegan [164] introducción a la toxicología veterinaria un papel ecológico importante como defensas químicas, constituyendo lo que se podría considerar como “pesticidas naturales”. Clasificación de las toxinas naturales de acuerdo con su estructura química Los compuestos tóxicos de origen natural pueden clasificarse de diferentes maneras, siendo la estructura química una de ellas. Las ca- tegorías que se describen a continuación incluyen una gran cantidad de toxinas de origen vegetal. En ocasiones no es posible asignar un compuesto a un grupo químico específico, de manera que se le asigna a un grupo de forma arbitraria. Esto sucede, por ejemplo, con la solanina presente en el tejido verde de las papas, que es un alcaloide y también un glucósido (glucoalcaloide). Alcaloides Los alcaloides (“similar a un álcali”) son compuestos incoloros, generalmente básicos (pKa entre 7 y 9), insolubles en agua pero solubles en solventes orgánicos; pueden formar sales al combinarse con ácidos. Todos los alcaloides contienen nitrógeno, generalmente haciendo parte de una estructura circular heterocíclica o aromática. Se conocen miles de compuestos alcaloides presentes en una gran variedad de plantas, pero la mayoría de ellos no se consideran tóxicos. Los alcaloides son sinteti- zados por las plantas a partir de aminoácidos; la mayoría son amargos. Muchos alcaloides tienen acción farmacológica (atropina, reserpina), algunos son sustancias psicoactivas (LSD, cocaína) y otros se emplean como estimulantes (cafeína, nicotina). Los alcaloides se subdividen en varios grupos de acuerdo con la estructura de su anillo heterocíclico. Las clases de alcaloides que a continuación se describen, corresponden a los más importantes, presentes en plantas tóxicas. Alcaloides pirrolizidínicos N El núcleo pirrol consta de dos anillos de cinco átomos. Estos son los responsables de la toxicidad en una gran variedad de plantas, incluyendo introducción a las plantas tóxicas [165] los géneros Senecio, Crotalaria, Heliotropium y Amsinckia. Los alcaloides pirrolizidínicos producen daño hepático irreversible y algunos de ellos son también pneumotóxicos. Como ejemplos están la monocrotalina, heliotrina, lasiocarpina y seneciocina. Alcaloides piperidino El núcleo piperidino consta de un anillo heterocíclico de seis áto- mos, sin insaturaciones. Los alcaloides piperidino más relevantes en producción animal son la coniína y compuestos relacionados con ésta, presentes en la cicuta (Conium maculatum). Estos alcaloides afectan el sistema nervioso central y además son teratógenos. Alcaloides piridino N El núcleo piridino es un anillo heterocíclico aromático de seis átomos. El principal de este tipo es la nicotina, que se encuentra en las plantas del genero Nicotiana. Alcaloides indol N Los alcaloides indol se derivan del triptófano. Como ejemplos de alcaloides indol están los ergot, alcaloides como la perlolina presente en la Festuca arundinacea, los triptamina que se encuentran en los pastos del género Phalaris y el 3-metilindol, un alcaloide implicado en problemas pulmonares en bovinos y en el mal sabor y olor de la carne en cerdos no N H [166] introducción a la toxicología veterinaria castrados. La estricnina, compuesto altamente tóxico presente en algunas plantas de género Strychnos (S. nux vomica, S. ignatii) nativas del sudeste asiático, es también un alcaloide indol. En sudamérica existe un arbusto del género Strychnos (e.g. S. toxifera) del cual se extrae el curare, sustan- cia tóxica obtenida tras secar el extracto acuoso de la planta. El curare está presente en la corteza y hojas de la planta y es usado como veneno de flechas (al igual que los cardenólidos de las ranas neurotóxicas) por ciertas tribus indígenas. El curare vía parenteral produce parálisis fláci- da y muerte, debida principalmente a la parálisis de los músculos de la respiración. El curare contiene dos alcaloides: curina (C18H19NO3), que paraliza la musculatura cardiaca y curarina (C19H26N2O2), que bloquea la placa motora terminal de la musculatura estriada. Alcaloides quinolizidínicos N El núcleo quinolizidina consta de dos anillos de seis átomos. Los lupinos(altramuces) contienen estos alcaloides que pueden causar in- toxicación aguda en ovinos y efectos teratogénicos en terneros. Alcaloides indolizidínicos N Los alcaloides indolizidino han sido identificados como los com- puestos tóxicos de la Swainsona spp. en Australia y el Astragalus spp. (“maleza loca”) en Estados Unidos. Estos compuestos inhiben la enzima α-manosidasa, ocasionando la formación de depósitos de manosa en los lisosomas de las células nerviosas. La eslaframina es otro alcaloide indolizidino producido en el trébol rojo (Trifolium pratense) por la acción de un hongo. La eslaframina causa salivación profusa. introducción a las plantas tóxicas [167] Alcaloides esteroides TIPO SOLANUM (POR EJEMPLO, LA SOLANIDINA) Estos alcaloides se encuentran en las papas verdes, el tomate y la “yerbamora” (Solanum nigrum). Afectan el sistema nervioso central inhi- biendo la colinesterasa. La solanidina de las papas tiene implicaciones en salud pública y las agencias reguladoras de los Estados Unidos han fijado límites máximos permisibles para estos compuestos. N CH3 CH3 OH CH3 CH3 N OH OH CH3 CH3 CH3 CH3 TIPO VERATRUM (POR EJEMPLO, LA VERATRAMINA) El “falso heleboro” o “heleboro blanco” (Veratrum californicum) con- tiene alcaloides del tipo veratrum, los cuales son teratógenos en ovinos (corderos cíclopes) y causan gestaciones prolongadas en ovejas. Alcaloides diterpenos policíclicos Los alcaloides diterpenos policíclicos son alcaloides complejos pre- sentes en las plantas del género Delphinium spp. Estos alcaloides bloquean la placa motora neuromuscular, afectando receptores post-sinápticos para acetilcolina (receptores nicotínicos), tanto en sistema nervioso [168] introducción a la toxicología veterinaria central como periférico. En los Estados Unidos, las plantas del género Delphinium causan más muertes en bovinos que todas las demás plantas tóxicas combinadas. El Aconitum napellus contiene alcaloides diterpenos policíclicos cardiotóxicos (aconitina, mesaconitina e hipoaconitina). Alcaloides tropano N CH3 O C O C CH2OH N CH3 O C O C CH2OH O N Atropina (dl-hiosciamina) Escopolamina (hioscina) Núcleo tropano La atropina (dl-hiosciamina), la escopolamina (hioscina) y la hios- ciamina son ejemplos de alcaloides tropano. Éstos están presentes en las plantas del género Datura (por ejemplo, Datura stramonium) y afectan severamente el sistema nervioso central. Alcaloides isoquinolina N Estos alcaloides se encuentran en plantas de los géneros Argemo- ne spp. y Sanguinaria spp. El alcaloide sanguinarina presente en estas plantas es hepatotóxico e inhibe la oxidación del piruvato y la ATP-asa de Na-K. Glucósidos Los glucósidos son éteres que contienen una molécula de carbohi- drato y una molécula diferente al carbohidrato (aglicona), unidos por un enlace tipo éter. Generalmente tienen sabor amargo. La aglicona es usualmente liberada por acción enzimática cuando el tejido de la planta introducción a las plantas tóxicas [169] es destruido, ya sea por marchitamiento, heladas, masticación o pisoteo. Los glucósidos se clasifican de acuerdo con su estructura y/o las propie- dades de su aglicona. Glucósidos cianogénicos CH O C6H10O4 CN C6H11O5 CHO HCN 2(C6H12O6)+ + Estos glucósidos liberan ácido cianhídrico (HCN) cuando son hi- drolizados. Como ejemplo se encuentra la letrila (amigdalina) presente en la semilla de almendras, duraznos, melocotones y manzanas y en las hojas del cerezo (Prunus spp.). Mediante la acción de las enzimas β-glu- cosidasa e hidroxinitrilo liasa, este glucósido produce HCN, glucosa y benzaldehído. El HCN es un potente inhibidor de la respiración celular a nivel de citocromo oxidasa a3. Glucósidos goitrogénicos Los compuestos goitrogénicos (bociogénicos) disminuyen la síntesis de las hormonas tiroideas y causan aumento en el tamaño de la glándula tiroides en su intento por compensar la producción de tiroxina. Los glu- cósidos goitrogénicos son tioéteres y contienen una molécula aglicona orgánica: R C S N O SO2 O-K+ glucosa En donde R (la aglicona) es un grupo alquil. Estos compuestos se denominan glucosinolatos (antiguamente llamados tioglucósidos) y se encuentran en las plantas del género Brassica spp. tales como el repollo, la col y la colza. Los glucosinolatos son hidrolizados por glucosinolasas produciendo β-D-glucosa, HSO 4 y derivados de la aglicona, incluyendo isotiocianatos, nitrilos y tiocianatos. Los glucosinolatos son aniones y generalmente se hallan formando sales de potasio. [170] introducción a la toxicología veterinaria La enzima glucosinolasa es liberada por la planta durante la mas- ticación y es también producida por los microorganismos del rumen. Los isotiocianatos pueden formar estructuras cíclicas como la goitrina (5-vinil-2-tio-oxazolidona): CH2 C H C H CH2 O N S H Glucósidos cumarínicos La cumarina se encuentra en el trébol dulce (Melilotus spp.) forman- do un melilotósido: Por acción fúngica, la cumarina es convertida en dicumarol, que es un antagonista de la vitamina K. La intoxicación por trébol dulce es ocasionada por el consumo de trébol henificado que ha sufrido contami- nación y crecimiento fúngico. Glucósidos esteroidales y triterpenoides GLUCÓSIDOS CARDIACOS Estos glucósidos contienen un grupo esterol en su estructura. El glucósido cardiaco más famoso es la digitonina presente en las plantas del género Digitalis spp. Los glucósidos cardiacos aumentan el número y la fuerza de las contracciones del músculo cardiaco y algunos son utilizados como fármacos. Las Asclepias spp. contienen un tipo de glu- cósidos cardiacos (cardenólidos) que son extremadamente tóxicos para R N C S R C N R S C N R C N S n Glucosinolato Isotiocianato Nitrilo Tiocianato introducción a las plantas tóxicas [171] los animales. De igual forma el Nerium oleander (“adelfa”, “azuceno de La Habana”), contiene glucósidos cardiotóxicos, siendo la oleandrina el más importante. O O OH OH Ogal-xil-glu SAPONINAS Las saponinas tienen la capacidad de producir espuma en solucio- nes acuosas, formando un patrón característico en forma de panal de abeja cuando la solución es agitada. Las saponinas están ampliamente distribuidas en el reino vegetal y en alimentación animal son particu- larmente importantes en ciertos forrajes tropicales. Las saponinas son amargas y afectan la palatabilidad y el consumo de alimento. En aves y cerdos causan disminución en el crecimiento y en bovinos se han aso- ciado a problemas de timpanismo. Algunas saponinas, como las que se encuentran en la Yucca schidigera, tienen efectos benéficos y son utilizadas como aditivos alimentarios en animales. Las saponinas contienen una aglicona policíclica (de tipo esteroidal o triterpenoide) y una cadena la- teral de azúcares unida mediante un enlace tipo éter al C3: OH OH OH Oglucosil 3 Glucósidos nitropropanol La mayoría de especies de Astragalus spp. (por ejemplo, A. miser) deben su toxicidad a los glucósidos nitropropanol; en rumiantes estos [172] introducción a la toxicología veterinaria glucósidos son metabolizados para formar 3-nitro-1-propanol (3-NPOH), mientras que los monogástricos los metabolizan en ácido 3-nitropropió- nico (3-NPA). Estos compuestos, y particularmente el 3-NPOH, producen signos de intoxicación aguda acompañada de metahemoglobinemia. También pueden generar toxicosis crónica, que se manifiesta con daños neurológicos permanentes. Estos glucósidos también se encuentran en plantas del género Co- ronilla spp. CH2-CH2-CH2-NO2glucosa HOOC-CH2-CH2-NO2 HO-CH2-CH2-CH2-NO2 Miserotoxina Acido 3-nitropropiónico 3-nitro-1-propanol monogástricos rumiantes Vicina La vicina y convicina son glucósidos presentes en el haba (Vicia faba); estos compuestos pueden causar anemia hemolítica (favismo) en perso- nas con deficiencia genética de actividad de la enzima glucosa 6-fosfato deshidrogenasa en sus glóbulos rojos. La hidrólisis de estos glucósidos porla enzima β-glucosidasa libera las agliconas divicina e isouramil a partir de la vicina y convicina, respectivamente. Las agliconas son las responsables del efecto hemolítico. El haba es utilizada como fuente de proteína para alimentación animal en algunas regiones. N N OH O NH2NH2 glucosil Vicina Glucósidos calcinogénicos Algunas plantas (por ejemplo, el Cestrum diurnum, Solanum mal- acoxylon y Trisetum flavescens) contienen glucósidos que liberan el metabolito activo de la vitamina D (1,25-dihidroxicolecalciferol) al ser hidrolizados. El consumo de estas plantas por parte de bovinos y equinos ´ introducción a las plantas tóxicas [173] conduce a una acumulación de niveles excesivos de vitamina D activa y a la pérdida de la homeostasis del calcio. El resultado final es una excesiva absorción de calcio y una calcificación de los tejidos blandos, particular- mente arterias y riñón. OH OH Oglucosil Carboxiatractilósido El glucósido conocido como carboxiatractilósido ha sido identificado como el compuesto tóxico presente en la planta Xanthium strumarium. Produce lesiones hepáticas, convulsiones e hipoglicemia severa. Proteínas Algunas proteínas con actividad inhibitoria de enzimas han sido encontradas en plantas tóxicas. Estas pueden inhibir la utilización de otras proteínas por parte del animal. Inhibidores de proteasas y de amilasa La soya, la mayoría de leguminosas, la papa y algunos cereales (centeno, cebada, avena, trigo) pueden contener inhibidores de tripsina y otras proteasas. Estos inhibidores reaccionan con la tripsina en el intes- tino delgado, inactivándola. Los principales efectos que causan son una disminución en el crecimiento e hipertrofia del páncreas. Inhibidores de la amilasa pueden estar presentes en los fríjoles y llegan a reducir la digestibilidad del almidón en monogástricos. Lectinas (hemaglutininas) Las lectinas son glicoproteínas con un peso molecular de 60,000 - 100,000, las cuales tienen la capacidad de aglutinar glóbulos rojos in vitro. Las lectinas están presentes en la mayoría de leguminosas, incluyendo [174] introducción a la toxicología veterinaria la soya. Las más tóxicas son la abrina del Abrus precatorius (“chochos de pinta negra”), la ricina del Ricinus communis (“higuerilla”, “palma cristi”) y la curcina del Jatropha curcas (“jaquillo”, “piñón de purga”). La Robinia pseudoacacia contiene la lectina robina pero solamente se presenta en Norteamérica. Todas estas plantas pertenecen a la familia Euphorbiacea. Las lectinas se unen fuertemente a las glicoproteínas de las células epi- teliales intestinales produciendo daño a la mucosa e interferencia en la absorción de nutrientes. Enzimas Un ejemplo de enzima tóxica es la tiaminasa presente en el “helecho macho” (Pteridium aquilinum) y en la “cola de caballo” (Equisetum arvense). Algunos microorganismos del rumen, al igual que algunos hongos con- taminantes de granos, pueden producir tiaminasas. Como su nombre lo indica, las tiaminasas destruyen la tiamina (vitamina B1) y el consumo de plantas con tiaminasas ocasiona deficiencia de tiamina. Proteínas citoplasmáticas Algunas leguminosas forrajeras, como la alfalfa y ciertos tréboles, pueden ocasionar timpanismo en rumiantes. Esto se debe principalmen- te a la formación de espuma estable en el interior del rumen, fenómeno en el cual están involucradas ciertas proteínas plasmáticas de las células vegetales. Estas proteínas no son tóxicas per se, pero inducen una respues- ta anormal en el animal (timpanismo), razón por la cual se consideran tóxicos naturales. Aminoácidos y compuestos relacionados Aminoácidos Más de 600 aminoácidos han sido identificados en el reino vegetal, siendo tóxicos algunos de ellos. Uno de los aminoácidos tóxicos de mayor relevancia en rumiantes es la mimosina, cuya estructura es similar a la de la tirosina: N CH2 CH COOHO OH NH2 introducción a las plantas tóxicas [175] La mimosina se presenta en la planta forrajera tropical Leucaena leucocephala, que produce hojas ricas en proteína y es un alimento poten- cial para animales en el trópico. La mimosina causa disminución en el crecimiento y alopecia en monogástricos, mientras que en rumiantes es metabolizada en el rumen a un compuesto bociogénico. El triptófano es un aminoácido esencial que puede dar lugar a la formación del compuesto tóxico 3-metilindol (3-MI) en el rumen; el 3-MI causa edema y enfisema pulmonar agudo en bovinos. Los selenoaminoácidos (selenocisteína, metilselenocisteína, sele- nocistationina y selenometionina) contienen selenio en lugar de azufre y han sido implicados en casos de seleniotoxicosis debida al consumo de ciertas plantas (por ejemplo Astragalus spp.). Ciertos aminoácidos ocasionan latirismo como la β-ciano-L-alanina presente en la Vicia spp. y el amino-propionitrilo del género Lathyrus spp. Las semillas de Lathyrus son utilizadas en alimentación humana en la India y causan problemas de salud pública, como parálisis permanente y deformaciones esqueléticas. El consumo de semillas de Lathyrus odoratus causa parálisis, aneurisma aórtico y deformaciones esqueléticas en bo- vinos y equinos. La enfermedad ocasionada se denomina latirismo y se distinguen dos formas de éste: neurolatirismo (parálisis) y osteolatirismo (deformaciones esqueléticas). Otro aminoácido tóxico es la 1-amino-D-prolina, que es producido a partir del dipéptido linatina presente en la torta de lino (Linum usitatisi- mum); este aminoácido es un antagonista de la vitamina B6 (piridoxina). La indospicina es un aminoácido tóxico presente en la planta In- digofera spicata (“añil rastrero”), una leguminosa de uso potencial en el trópico. Este aminoácido es un antagonista de la arginina, lo cual oca- siona disminución en la incorporación de arginina durante la síntesis de proteínas. El “factor de la anemia” de las Brassica spp., S-metilcisteína sulfóxi- do, es un derivado de un aminoácido. Este compuesto causa hemólisis intravascular y anemia, y se encuentra en plantas del género Brassica spp. como la col y el repollo. Es importante anotar que algunos aminoácidos tóxicos podrían también clasificarse como alcaloides, ya que se enmarcan dentro de la definición de alcaloide presentada anteriormente, siempre y cuando contengan un anillo heterocíclico con nitrógeno en su estructura (por ejemplo, la mimosina). [176] introducción a la toxicología veterinaria Polipéptidos Los hongos del género Amanita spp. son extremadamente tóxicos; su toxicidad se debe a la presencia de polipéptidos cíclicos. En este grupo de sustancias tóxicas también se encuentran las fomopsinas A y B (hexa- péptidos cíclicos) sintentizadas por el hongo Phomopsis leptostromiformis, el cual crece en el rastrojo que queda después de cosechar las semillas de lupinos (altramuces). Carbohidratos Pocos problemas toxicológicos han sido asociados a ciertos carbo- hidratos. La xilosa (una hexosa) causa disminución en el crecimiento y cataratas en cerdos y aves. En monogástricos algunos oligosacáridos (la rafinosa y estaquiosa), que no son hidrolisados por las enzimas digesti- vas, promueven el crecimiento de ciertas bacterias y causan problemas de flatulencia. Los β-glucanos y pentosanos son polisacáridos distintos al almidón con importantes implicaciones en nutrición de monogástricos, ya que afectan adversamente la absorción de nutrientes. Lípidos Algunos ácidos grasos son tóxicos. El ácido erúcico de la colza, por ejemplo, causa lesiones en el miocardio en ratas. Los ácidos grasos ciclo- propenoides (AGC, malválico y estercúlico) presentes en las plantas del género Malvales spp. y en el algodón (Gossypium spp.) causan decoloración de la albúmina en huevos almacenados. Los AGC también son co-carci- nógenos y aumentan la carcinogenicidad de las aflatoxinas. Compuestos quelantes Fitatos OPO3H2 OPO3H2 OPO3H2 OPO3H2 H2PO3O H2PO3O El ácido fítico presente en los cereales y en la torta de soya reduce la biodisponibilidad de ciertosminerales, particularmente del zinc, a tra- introducción a las plantas tóxicas [177] vés de la formación de fitatos no absorbibles. El fósforo orgánico (fósforo fítico) tiene muy poca disponibilidad en monogástricos. Oxalatos El ácido oxálico es un agente quelante del calcio. Las plantas que contienen cantidades elevadas de oxalatos (como el Halogeton glomeratus) pueden inducir una hipocalcemia aguda en herbívoros. O Ca OO OOH OHO O Oxalato de calcio Ácido oxálico Oxalato de calcio Mimosina La mimosina, el aminoácido tóxico presente en la Leucaena leucoce- phala, tiene también la capacidad de unirse a metales, particularmente al zinc. Compuestos polifenólicos Los fenoles contienen un anillo aromático y uno o más grupos hidroxilo. En los compuestos polifenólicos hay una gran abundancia de grupos hidroxilo. Como ejemplo de compuestos polifenólicos tóxicos están la hipericina, la fagopirina, el gosipol y los taninos. La hipericina es el compuesto polifenólico presente en la “hierba de San Juan” (Hypericum perforatum). Es un agente fotosensibilizante prima- rio y produce lesiones en la piel en animales de piel blanca; al reaccionar con la luz UV del Sol, la hipericina produce una reacción fotodinámica. La semilla y la torta de algodón contienen un polifenol tóxico de- nominado gosipol, que causa retraso en el crecimiento y en el consumo de alimento, lesiones cardíacas e infertilidad en los machos. El gosipol puede también clasificarse como un sesquiterpeno. Los taninos son compuestos fenólicos que reaccionan con las proteí- nas. El término “tanino” proviene de la palabra inglesa tanning, que sig- nifica curtiembre, ya que los extractos de plantas con taninos se utilizan para precipitar las proteínas del cuero. Los taninos son particularmente abundantes en el sorgo, en la corteza del roble y del aliso y en el árbol conocido como “divi-divi”. [178] introducción a la toxicología veterinaria Terpenos y terpenoides Los terpenos y terpenoides son sustancias derivadas de unidades isopreno: Los terpenos contienen un número exacto de unidades isopreno, mientras que los terpenoides son compuestos que contienen átomos de carbono en cantidades variables pero que claramente se derivan de uni- dades isopreno. TABLA 10.1. Características de los principales terpernos presentes en las plantas Tipo de terpeno Número de unidades sopreno Número de átomos de carbono Ejemplos Monoterpeno 2 10 Aceites esenciales como los de la menta y monoter- penos del pino Ponderosa. Sesquiterpeno 3 15 Lactonas sesquiterpeno en Helenium spp. e Hyme- noxys spp. Gosipol. Diterpeno 4 20 Alcaloides diterpeno policíclicos (neurotóxicos y cardiotóxicos) en Delphinium spp. (metilicaconitina), Rhododendron spp. (grayanotoxinas) y Aconitum napellus (aconitina). Triterpeno 6 30 Triterpenoides hepatotóxicos (lantadenos A y B) en Lantana camara. La bioquímica de los terpenos es compleja. Otros ejemplos de poli- terpenos son el caucho, el látex (incluyendo el chicle) y ciertos pigmentos carotenoides. La mayoría de las gomas y resinas en las plantas de la fa- milia de las coníferas son también terpenos. Las resinas de las coníferas son mezclas de monoterpenos, sesquiterpenos, ácidos diterpenos y com- puestos fenólicos. Algunos de estos terpenos son causantes de abortos en bovinos que consumen agujas de pino. Otras toxinas Existen muchas otras toxinas de plantas con diversas estructuras químicas. Como ejemplos están el fluoroacetato (1080) y otros compues- tos organofluorados que se presentan en varias plantas tóxicas nativas de Australia (por ejemplo, el Gastrolobium spp.). El 1080 es una toxina potente introducción a las plantas tóxicas [179] que bloquea el ciclo de Krebs al inhibir la conversión de citrato en isoci- trato, bloqueando la enzima aconitasa. La “cicuta de agua” (Cicuta spp.) contiene una resina extremadamente tóxica denominada cicutoxina (un alcohol de 17 carbonos altamente insaturado), la cual afecta el sistema nervioso central, causando convulsiones violentas. La cebolla contiene n-propildisulfuro, compuesto que inhibe la enzima glucosa-6-fosfato deshidrogenasa a nivel de eritrocitos; la intoxicación con cebollas pro- duce anemia como resultado de la hemólisis intravascular inducida por la inhibición de esta enzima. En Colombia es común la intoxicación con nitrito (NO2), el cual se origina por reducción ruminal del nitrato (NO3) presente en algunas plantas en cantidades potencialmente tóxicas. El nitrito oxida la hemoglobina convirtiéndola en metahemoglobina, la cual es incapaz de transportar oxígeno. Referencias C�����, P. R. 1998. Natural Toxicants in Feeds, Forages and Poisonous Plants, 2a ed. In- terstate Publishers, Inc. Danville, IL, USA. D���, G. J. 2001. “Naturally Occurring Toxins Relevant to Poultry Nutrition”, in Leeson, S. and Summers, J. D. Sco�’s Nutrition of the Chicken, 4a ed. University Books, Guelph, pp. 544-591. G�������, A. 1989. Plantas tóxicas para el ganado. Limusa-Noriega, México. J����, L. F., K�����, R. F., B�����, E. M., C�����, P. R. and H������, M. P. (eds.). 1992. Poisonous Plants. Proceedings of the Third International Symposium, Iowa State University Press, Ames, Iowa, USA. G������, T. and B���, A. C. (eds.). 1998. 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