Conferencia del Dr. Jesús Olivero Verbel, QF., PD.

1. Diplomado en Química Ambiental
Fundamentos de Toxicología
Jesús Olivero Verbel. Ph.D
Universidad de Cartagena
Facultad de Ciencias Químicas y Farmacéuticas
Grupo de Química Ambiental y Computacional
Departamento de Postgrado y Educación Continua
Octubre 25 de 2002

2. TOXICIDAD
Cualquier efecto adverso en la estructura
o función de un sistema biológico
por un agente químico o físico
EFECTO ADVERSO
Puede incluir tanto efectos no deseados
como cualquier alteración del estado basal que
disminuye la habilidad de un organismo para
sobrevivir, reproducirse o adaptarse a
su medio ambiente

3. TOXICOLOGIA
Conceptos
Ruta de exposición
•Intravenosa
•Inhalación
•Intraperitoneal
•Subcutánea
•Intramuscular
•Intradérmica
•Oral
•Dérmica.
Duración y frecuencia de exposición.
Aguda, subaguda, subcrónica y crónica.

4. TOXICOLOGIA
Conceptos
•Tolerancia: Disminución de los efectos inducidos por
un tóxico en virtud de la exposición anterior al mismo
ó a un agente químico de similar estructura.
•Tolerancia por disposición
•Tolerancia por respuesta reducida de un tejido.
•Potencia. Rango de dósis sobre los cuales un
químico produce un incremento en la respuesta
biológica.
•Eficacia

5. TOXICOLOGIA
Conceptos
• Curva Dósis - Respuesta. ED, TD, LD
• Indice Terapéutico: LD50/ED50
•Potencia. Rango de dósis sobre los cuales un
químico produce un incremento en la respuesta
biológica.
•Eficacia. La eficacia máxima refleja el límite de la
relación dósis-respuesta sobre el eje de la respuesta
frente a cierto químico.

6. Dosis - Respuesta

8. Efecto hipotético de un contaminante sobre la
Mortalidad de la Bailarina durante un ensayo de 48 horas

9. Efecto hipotético de un contaminante sobre la
Eclosión de los huevos de Bailarina durante un ensayo crónico
(75 días)

11. Efectos de un contaminante hipotético sobre la Eclosión
de la Bailarina durante una exposición de 75 días
No Observed Adverse Effect Concentration (NOAEC)
Lowest Observed Adverse Effect Concentration (LOAEC)

12. Una estrategia multidisciplinaria es
necesaria para DESARROLLAR cualquier
Investigación toxicológica dada
La complejidad y las diversas
Funciones de los organismos

13. Estudios en Animales vs. Humanos
Incertidumbre Magnitud Incertidumbre Magnitud
Diferencias en ?100 veces Variables confusas <3 veces
Absorción entre
Especies
Diferencias en
Metabolismo ?100 veces Errores de medida <10 veces
Diferencias en ?100 veces Bias < 5 veces
Distribución y
Excreción

14. Biomarcadores de Toxicidad (RMN)
Tissue Damage Increase Decrease
Renal Medulla Acetate, succinate 2-oxo-glutarate
dimethylamine trimethylamine-N-oxide
dimethylglycine
Renal Cortex (S2/S3) alanine, glutamine, valine Creatinine
glucose, lactate
3-hydroxybutarate
Renal Cortex (S1) Glycine, glutamine Hippurate
glucose
Liver (Periportal) Acetate, taurine Citrate
taurine, 2-oxo-glutarate
Liver (Centrilobular) Taurine

15. Mecanismos de Toxicidad
Modelo para la activación de un receptor acoplado a una proteína G

16. Estrés
Oxidativo

17. Factores de Importancia en la Generación de ROS

18. Inducción de Estrés Oxidativo por el sistema P450

19. Inducción de Estrés Oxidativo Por Paraquat !

20. Estrés Oxidativo y Control Celular de ROS

21. Represión vs. Activación
Antioxidants and oxidants regulated
signal transduction pathways
Owuor E, Kong A.
Biochem. Pharmacol. 2002. Septiembre. 64(5-6):765

23. Modelo para la represión de HBP1
y rutas activantes de crecimiento
FdeT

24. Toxicidad por Formación de Enlace Covalente

25. Introducción al Cáncer

26. Cáncer. Proceso Multi-Estado

28. Proceso Multiestado de la Carcinogénesis

30. Etiología del Cáncer
Epidemiología
DES: Carcinoma vaginal.
Cloruro de vinilo: Hemangiosarcoma (angiosarcoma) del hígado.
bis(chlorometil)éter: Cáncer de pulmón.
ß-naftilamina y benzidina: Cáncer de vejiga.
Niquel, Uranio, Cadmio o asbesto: Cáncer de pulmón.
Humo de Cigarrillo: Causa de cáncer de pulmón, vejiga y páncreas, entre
otros.
Aflatoxina B1: Cáncer de hígado.

31. Tumores Inducidos por Químicos
Sitio Anatómico Químico Co-Factor
Epitelio externo del pulmón
(~56% cánceres humanos) As, Asbestos
Cromo, Niquel
Bis(clorometil)éter
Humo de tabaco Asbesto y Radón
Esófago Humo de Tabaco Alcohol
Hígado (~8%) Aflatoxina B1 Hepatitis B o C
Bebidas alcohólicas
Vejiga Aminas aromáticas
Leucemia (~8%) Benceno

32. Sinergismo entre carcinógenos
Virus, químicos y radiación, cada uno puede desencadenar reacciones en
cadena que finalmente pueden terminar en cáncer. Además, cada uno de
estos factores puede actuar sinergisticamente con los otros. Sinergismo es
visto entre químicos (cigarette smoking y alcohol); entre químicos y
radiación (en animales, daño celular con CCl4 facilita la iniciación con
radiación X) y entre químicos y virus (Virus de la Hepatitis B y Aflatoxin
B1).
Hepatitis B and Aflatoxin B1:
• Incremento en la muerte de células hepáticas
• Incremento en la proliferación celular hepática
• Incremento en ROS en el hígado
• HBx --- bloquea apoptosis mediada por p53
Exposición a Aflatoxina B1 es asociada con mutaciones en p53. (codón
249, position 3; G --T; G--C transversion)

34. INICIACION
Daño genético irreversible.
Químico Carcinógeno. Molécula que causa una mutación por
modificación de la estructura molecular del DNA.
Correlación entre la cantidad de aductos de DNA y el número de tumores
desarrollados en modelos animales.
TUMORES raramente aparecen en tejidos que no forman aductos DNA-
Carcinógeno. La formación de un aducto es fundamental en la teoría de
carcinogénesis química y puede ser considerado un pre-requisito
necesario pero no suficiente para la iniciación.
Algunos aspectos de la iniciación de tumores están relacionados con la
activación de protooncogenes.

35. Agentes Químicos Iniciadores

36. Ruta Metabólica para la Formación
de un Compuesto Reactivo a partir
de Hexaclorobutadieno

37. Benzo[a]pyrene diol epoxide
(BPDE).

38. Cis-butenedialdehyde (1,4-dioxo-2-butene) es un producto de la
oxidación 5’ de Deoxyribose. Este compuesto reaciona con dC para
formar un nuevo aducto con un nitrógeno exocíclico.

39. M1G is un aducto mutagénico formado por la reacción de una guanina en el DNA
con Malondialdehido, un producto de la peroxidación de lípidos. M1G es originado
de una reacción de G con “base propenals”, un producto de la oxidación de C4' de
deoxyribosa en el DNA. (Dedon et al. PNAS 95: 1113-1116, 2000).

40. PROMOCION DE TUMORES
Promoción Tumoral: Expansión clonal selectiva de las células iniciadas. Dado
que la velocidad de acumulación de mutaciones es proporcional a la velocidad de
división celular, la expansión clonal de las células iniciadas produce una gran
población de células en riesgo de cambios genéticos adicionales y conversión
maligna. Los promotores de tumores generalmente son no mutagénicos, no
cancerígenos en forma individual y a menudo no requieren previa activación
metabólica. Estos agentes disminuyen el período de latencia para la formación de
tumores luego de la iniciación. Además, inducen la formación de tumores en
conjunción con una dosis de iniciador que es muy baja para ser carcinogénica por
si misma. Compuestos que pueden ser iniciadores y promotores son llamados
Carcinógenos Completos: Benzo[a]pyrene y 4-aminobiphenyl.
Croton oil (Aislado de Croton tiglium) ha sido usado como Promotor de Tumores
en carcinogénesis de piel, y el mecanismo de acción de su componente más
potente (12-tetradecanoylphorbol-13-acetate) es la activación de PKC, una
familia de enzimas dependientes de Calcio que cuando se activan causan
fosforilación de sustratos críticos que conllevan a crecimiento celular.

41. Promotores de Tumores

42. CONVERSION MALIGNA
La Conversión Maligna es la transformación de una célula
preneoplásica en una que expresa el fenotipo maligno. Este proceso
requiere cambios genéticos adicionales. La contribución de la
promoción de tumores al proceso de Carcinogénesis es la expansión
de una población de las células iniciadas, las cuales estarán en riesgo
de conversión maligna. La conversión de una fracción de estas
células a malignas estará acelerada en proporción a la velocidad de
división celular y al número de células en división en el tumor
benigno. En parte, estos cambios genéticos adicionales pueden
resultar de infidelidad en la síntesis de DNA. La probabilidad
relativamente baja de Conversión Maligna puede ser incrementada
sustancialmente por la exposición de células preneoplásicas a
agentes que causen daño al DNA. Este proceso parece estar mediado
por la activación de proto-oncogenes y la inactivación de genes
supresores de tumores.

44. Oncogenes Retrovirales
Oncogene (v-onc) Prototype Retrovirus Especie de Origen
src Rous sarcoma virus Pollo
myc Avian myelocytomatosis virus Pollo
erb A, erb B Avian erythroblastosis virusPollo
myb Avian myeloblastosis virus Pollo
H-ras Harvey rat sarcoma virus Rata
K-ras Kirsten murine sarcoma virus Ratón
abl Abelson murine leukemia virus Ratón
fes Feline sarcoma virus Gato
sis Simian sarcoma virus Mono

45. ONCOGENES HUMANOS
Técnicas de Hibridización de oncogenes retrovirales en DNA animal,
incluyendo humanos, han demostrado que copias de muchos de estos
genes están presentes en el genoma de estos animales. Estos no son pro-
virus integrados pero si genes animales completos que contienen sus
propias secuencias controladoras. Las contrapartes celulares normales de
estos oncogenes son los protooncogenes. En su estado genético
normal, protooncogenes son componentes importantes de las señales
celulares y la activación de la transcripción.
Si un protooncogen desarrolla una mutación somática, se pierde el
control del crecimiento celular en la célula en la cual la mutación ocurre y el
cáncer puede aparecer. Estos protooncogenes que pueden mutar en
cualquier individuo son llamados oncogenes celulares y son designados
por el prefijo "c" (c-myc, c-abl) para distinguuirlos de los oncogenes
virales. Los protooncogenes para los cuales no han sido reportadas
mutaciones son llamados oncogenes normales y son designados "n" (n-
ras).

46. A) In a normal resting cell the intracellular signaling proteins and genes that are normally
activated by extracellular growth factors are inactive. (B) When the normal cell is stimulated
by an extracellular growth factor, these signaling proteins and genes become active and the
cell proliferates. (C) In this cancer cell, a mutation in a proto-oncogene that encodes an
intracellular signaling protein that is normally activated by extracellular growth factors has
created an oncogene. The oncogene encodes an altered form of the signaling protein that is
active even in the absence of growth factor binding.

47. PROGRESION DE TUMORES
Expresión del fenotipo maligno y tendencia de las células malignas a
adquirir un número mayor de características agresivas con el tiempo.
La Metástasis puede también involucrar la habilidad de las células
tumorales a secretar proteasas que permiten la invasión de zonas alejadas
del sitio inicial del tumor primario.
Propensidad a la inestabilidad genómica y al crecimiento incontrolado.
Activación de protooncogenes.
Inactivación de genes supresores de tumores.
Los protooncogenes pueden ser activados por mutaciones puntuales (ras
gene) en regiones específicas o mediante sobreexpresión de genes (myc,
raf, neu, and jun), quienes son translocados y yustapuestos a un promotor
poderoso. La pérdida de función de los genes supresores de tumores
ocurre por mutaciones puntuales en un alelo y pérdida del segundo por
supresión o recombinación.

48. ACTIVACION DE PROTOONCOGENES CELULARES
EN CANCER HUMANO
Protooncogene Activación por cambio cromosómico Cáncer Asociado
c-myc Rearreglo Genético
Translocation: 8-14, 8-2, or 8-22 Burkitt's lymphoma
c-abl Rearreglo Genético
Translocation: 9-22 Chronic myeloid leukemia
c-H-ras Point mutation Bladder carcinoma
c-K-ras Point mutation Lung and colon carcinoma
N-myc Gene amplification Neuroblastoma

49. Carcinógenos humanos conocidos
Exposición Humanos Animal (órgano)
4-aminobiphenyl Vejiga Vejiga Ratón, conejo, perro
Arsénico Pulmón Pulmón Ratón y Hamster
Asbesto Pulmón Pulmón Rata
Pleura Pleura Rata, hamster
Peritoneo Peritoneo Rata, ratón
Benceno Leucemia Limphoma Ratón
Bencidina Vejiga Vejiga Perro

50. Necrosis Vs. Apoptosis
Característica NECROSIS APOPTOSIS
Morfología Ausencia de Cuerpos Cuerpos Apoptóticos
Apoptóticos
Histología Hinchamiento celular Redución del Tamaño
Rompimiento de Celular
organelas.
Fragmentación del DNA Difuso Internucleosomal
Aleatorio
Ausencia de inflamación
Inflamación Fagocitosis de cuerpos
Reacción Tisular
apoptóticos
Etiología Hipoxia. Toxinas. Fisiológico
Patológico

51. FIGURE 1
TEM of a necrotic cell: the disruption of plasma
membrane and organelles is observable. A relative
preservation of nuclear morphology appears.
(original magnification: x 10,000)
FIGURE 2
TEM of an apoptotic (A) and a normal (N) cell. The
characteristic chromatin rearrangement appears in A,
strongly different from its normal organization (N).
The good preservation of membrane and organelles
is also evident. (original magnification: x 8,000)
FIGURE 3
SEM of a necrotic cell. Numerous lesions appear on
the cell surface. (original magnification: x 5,000)
FIGURE 4
SEM of an apoptotic cell. Surface blebbing is
evident. (original magnification: x 5,000)
FIGURE 5
FF of normal cell, nuclear envelope. The regular
distribution of nuclear pores is visible. (original
magnification: x 30,000)
FIGURE 6
FF of apoptotic cell. The nuclear envelope shows a
characteristic clustering (asterisc) of nuclear
pores. (original magnification: x 35,000)