Generalità: • Rischio tossicologico: dose-risposta • Tossicologia vs. epidemiologia • Effetti fisiologici sull’uomo • Effetti ambientali
Tossicologia Prof. Attilio Citterio Dipartimento CMIC “Giulio Natta” http://iscamap.chem.polimi.it/citterio/education/course-topics/
Scuola di Ingegneria Industriale e dell’Informazione Course 096125 (095857)
Introduction to Green and Sustainable Chemistry
Attilio Citterio
Mancanza di Dati sulla Valutazione della Tossicità
0% 50% 100%
Pesticidi e ingredienti - 3350
Ingredienti Cosmetici - 3410
Farmaci e eccipienti - 1815
Additivi alimentari - 8627
Composti chimici (> 0.5M kg/yr) -12860
Composti chimici (< 0.5M kg/yr) -3911
Composti chimici (sconosciuti) - 752
Media Percentuale Stimata nello Specifico Campione
Possibile Valutazione Completa delPericolo
Possible Parziale Valutazione delPericolo
Minime Informazioni Disponibile
Parziale Valutazione della TssxicitàDisponibile
Nessuna Informazione sulla TossicitàDisponibile
J.S. Applegate, K. Baer
• Ad Agosto 2013, erano documentati ~ 30 milioni di sostanze organiche e inorganiche (indicizzate dall’American Chemical Society's Chemical Abstracts Service nei loro CAS Registry; escluse le bio-sequenze quali le proteine e I
nucleotidi)
• Di questi composti,,circa 10 milioni sono disponibili commercialmente.
Attilio Citterio
Cosa Significa Tossicologia?
- Valutare il PERICOLO di nuove/vecchie sostanze
- Proporre misure per prevenire e contenere il rischio associato con l’ESPOSIZIONE
- Calcolo del RISCHIO: = f (pericolo, esposizione)
p.es.
Si maneggiano molti composti chimici nella vita quotidiana, in casa, nel tempo libero e sul lavoro.
La benzina è un buon esempio. Si sa che è tossica se ingerita o inalata,
ma se si fa attenzione a limitarne l’esposizione e a maneggiarla in sicurezza, non si assumono grossi rischi nell’usarla.
Attilio Citterio
Definizioni
Pericolo La tossicità intrinseca di una sostanza, in base ad appropriati modelli (in-vivo,
in-vitro, in-silico) o informazioni da studi epidemiologici umani
Esposizione - Via di ingresso:
• Orale = Ingestione per via orale - Cutanea = Esposizione alla pelle - Inalazione = Assorbimento da parte dei polmoni - Oculare = Esposizione agli occhi
- Probabilità di contatto; - Uso di attrezzature di sicurezza (individuali: p.es. occhiali, e collettivi: p.es.
cappe); - …. Rischio La probabilità di effetti negativi a seguito dell’esposizione ad una sostanza
chimica IN PARTICOLARI CIRCOSTANZE.
Attilio Citterio
L’11 Marzo 2013 nell’Unione Europea è entrato in vigore il bando totale dei test sugli animali per i prodotti cosmetici.
Rapporto della National Academy of Sciences (2007) Toxicity Testing in the Twenty-first Century: A Vision and a Strategy
Test Tossicologici nel 21° Secolo
http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=COM:2013:0135:FIN:EN:PDF
Attilio Citterio
Il Problema della Modellazione della Tossicità
Attilio Citterio
Esempio di Alternativa di Prodotto: Acrilammide vs. N-vinilformammide
Altamente tossica, causa paralisi al CNS ~ $ 1/kg
Tossicità acuta orale: > 1400 mg/Kg, non è una neurotossina ~ $ 4.50/kg
Monomero impiegato soprattutto per fare poli(acrilammide), per la produzione di carta, recupero petrolio, igiene personale, trattamento dell'acqua, cementi, ecc.
Poli(N-vinil formammide), stessi Usi come polimero, dopo idrolisi a polivinil ammina.
MW = C3H5NO
O
NH2
NH
OH
Attilio Citterio
Alternative nelle Vie di Sintesi dell’Acrilammide
La via enzimatica (b) è la più nuova, l’approccio è più verde
Il processo è più verde, il Prodotto no!
a)
b)
CN+ NH 3 + 1.5O 2 + H 2O
CNOH2 NH2
OCu catalystor enzyme
Attilio Citterio
Via di Sintesi della N-Vinilformammide
HCN, un pericolo intrinseco, fa aumentare i costi e il pericolo
Prodotto verde, il Processo no!
OC
CH3 H
H+
CH3 CHOH
CN
HCO
NH2
CH3CH
NH
CO
H
CN
CH2 CHNH
COH
+ HCN
+ H 2O
+ HCN
Heat
Attilio Citterio
Nutrienti Essenziali o Non-essenziali
Elementi essenziali sono quelli come l’azoto, il fosforo, il magnesio e lo zinco. Essi sono necessari alla vita, ma sono anche tossici ad alte concentrazioni.
Concentrazione letale
effetti sub letali
Non tossico
Ottimo Intervallo di
concentrazione
Crescita inibita
per mancanza di sostanza In
dice
di c
resc
ita
100%
Elementi non-essenziali sono quelli come il mercurio, lo stagno, l’arsenico, il cadmio, il boro, il litio e il nichel. Alle basse concentrazioni essi possono essere accettabili, ma alla fine diventano tossici.
Indi
ce d
i sal
ute
100%
Concentrazione del tossico
Non tossico
Ottimo o accettabile intervallo
di concentrazione
Effetti sub letali
Concentrazione letale
Attilio Citterio
Esposizione ad Agenti Esogeni
Identificazione del
Pericolo
Valutazione della
Esposizione
Valutazione Effetti
Dose-risposta
Caratterizzazione del Rischio
Attilio Citterio
Tossicità e Rischio
Tossicità da Composto Chimico o Inquinante
e Valutazione del Rischio
Tossicità effetti sulla salute
Costo della Valutazione Del Rischio
Azioni
Concentrazione Nell’ambiente
Modello (a scatola)
Studi tossicologici e epidemiologici
Attilio Citterio
Valutazione del Rischio Tossicità
• Identificare le tossine
• Correlare l’entità dell’esposizione agli effetti sulla salute Valutazione dose-risposta
Valutazione dell’esposizione
• Valutare livelli di rischio accettabili Quantificare morti/malattie per milione di individui
• Stimare il costo dei controlli I costi economici del controllo vs. costi sociali o benefici
Attilio Citterio
Effetti sulla Salute di Composti Chimici
• Tossicità Acuta : Esposizione breve ad alte concentrazioni • Tossicità Cronica : Esposizione prolungata a basse concentrazioni
• Relazione dose-risposta – Tipo soglia – Tipo non soglia
x
Concentrazione di soglia
SINTOMI
TEMPO: settimane, mesi, anni
x
x
x
x
x
x
x
Con
cent
razi
one
Sang
ue n
el T
essu
to
SINTOMI
Concentrazione di soglia
TEMPO: minuti, ore o anni
Con
cent
razi
one
sang
ue d
el T
essu
to
Attilio Citterio
Dose
• Dose: combinazione della concentrazione ambientale e del tempo di esposizione
Alta concentrazione, Basso tempo di esposizione
Bassa concentrazione,
Lungo tempo di esposizione
Acuto
Cronico
Effetto
Attilio Citterio
Tempo di Esposizione
NON è uguale al tempo di residenza nel modello a scatola!
Tempo di Esposizione ≡ tempo in cui si è in contatto con la tossina • Acuto: esposizione a tempi brevi (normalmente alta
concentrazione)
• Cronico: esposizione a tempi lunghi (normalmente bassa concentrazione). NON è uguale al tempo di residenza nel modello a scatola!
• Relazioni dose-risposta – del tipo a soglia – del tipo non a soglia
Attilio Citterio
Misura della Tossicità
LD50 : la dose che produce il 50% di mortalità in una popolazione test. LD50 si può esprimere in milligrammi di sostanza per chilogrammo di peso
corporeo dell’animale test (mg/kg). NOAEL : Livello a cui non si può rivelare alcun effetto negativo DNEL : il Livello Derivato di Nessun Effetto = NOAEL
Fattori di valutazione
• Valutazione umana • Valutazione ambientale ADI, Acceptable Daily Intake
Dose
risposta
Individui Sensibili Popolazione Curva sperimentale
1 10 100 0
ADI NOAEL
Interspecie Intraspecie
Attilio Citterio
Dose-Risposta della Popolazione
Estrema Risposta alla STESSA dose Lieve
Num
ero
di in
divi
dui
Pochi
Molti
Effetto minimo
Effetto massimo
Individui sensibili
Individui resistenti
Maggioranza di individui
Effetto medio
Attilio Citterio
Curve di Risposta con e senza Soglia
Dose (intensità dello stimolo)
(dan
no a
ll’ind
ivid
uo)
Soglia
% d
ella
pop
olaz
ione
/risp
osta
100%
Curva modello di risposta sigmoide
Attilio Citterio
Curve di Risposta
Casarett e Doull, Cap. 2, pp. 18-27 Timbrell Cap. 2 (pp. 7-25)
Aumento della dose
Aum
ento
del
l’effe
tto Intervallo
senza effetto Intervallo di massimo effetto
Intervallo di aumento dell’effetto all’aumento della dose
sogl
ia
0 0
sigmoide
Attilio Citterio
Esposizione all’Ozono (gatto)
concentrazione di ozono, ppm 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
0
-20
20
40
60
80
Diff
eren
za in
mor
talit
à tra
gat
ti tra
ttati
con
ozon
o e
cont
rollo
, %
Interpretazione con valore di soglia Interpretazione senza soglia
Attilio Citterio
Alcuni Acronimi
• NEL, No Effects Level
• NOEL, No Observed Effects Level
• NOAEL, No Observed Adverse Effects Level
• ADI, Acceptable Daily Intake • AWI, AMI, etc.
• TDI, Tolerable Daily Intake
• MCL, Maximum Contaminant Level (SDWA)
• SF, UF, MF: safety, uncertainty, modifying factors
Attilio Citterio
Inquinanti ed Effetti
• Relazione tra elevate concentrazioni di inquinanti e problemi respiratori, morbilità
• Relazione tra elevate concentrazioni di inquinanti e morti giornaliere, mortalità
• Relazione tra concentrazioni elevate di inquinanti e vita media, rischio di cancro
• Popolazioni a rischio
Attilio Citterio
Concentrazione, Dose, Esposizione
• Dose = C × V • C : Concentrazione di composto chimico o d’inquinante, massa/volume, di norma funzione del tempo • V : volume di aria inalata dV/dt, velocità di inalazione è funzione dell’attività
dell’organismo
• Dose integrata =
• Esposizione =
dtdtdVC∫
dtC∫
Attilio Citterio
Valutazione degli Effetti sulla Salute Analisi correlazione tra esposizione e risposta specifica
• Studi tossicologici su animali – esporre degli animali (gatto, topo) al composto di interesse in
condizioni controllate ed osservarne gli effetti, quindi estrapolare i risultati sull’uomo
• Studi Epidemiologici – osservare gli effetti sulle popolazioni con caratteristiche simili
eccetto che per l’esposizione al composto preso in esame
Studi in vitro – verificare su sistemi modello la relazione esposizione/risposta
Studi in silico – predire gli effetti basandosi su modelli strutturali
Attilio Citterio
Misure di Tossicità
modelli in-vivo modelli in-vitro modelli in-silico
Attilio Citterio
Studi “Tossicologici”
Esperimenti clinici/laboratorio
Vantaggi • E’ controllata la variazione dell’esposizione • E’ controllato l’ambiente dei soggetti
Svantaggi • Piccoli campioni • Brevi periodi di sperimentazione • Soggetti non umanoidi
Attilio Citterio
Studi Epidemiologici
Misura del verificarsi di malattie Incidenza Cumulativa, CI, la proporzione degli individui malati che
hanno contratto la malattia • CI = Numero di individui che contraggono la malattia in un certo
periodo / numero di individui nella popolazione
Svantaggi: • Grande dimensione del campione di individui • Possibili gli studi a lungo-termine • Mancanza di controllo sull’esposizione e ambiente • Storia sconosciuta, comportamento dei soggetti • Mobilità dei soggetti
Attilio Citterio
Effetti Tossici
Quando composti tossici entrano nel corpo, possono produrre una gamma di effetti. • A bassi livelli, può non riscontrarsi alcun effetto. Questa “soglia" si
può considerare un livello "sicuro" di esposizione. • I composti chimici possono avere effetti acuti, il risultato di un’alta
dose in un breve periodo di tempo. La maggior parte degli esperimenti sugli animali sono semplici studi di tossicità acuta.
• I composti chimici possono avere effetti cronici, causati da basse dosi su un lungo periodo • Acuti / cronici • Reversibili / irreversibili • Immediati / dilazionati • Idiosincratici - ipersensibilità • Locali / sistemici • Organi bersaglio
Attilio Citterio
Criteri di Tossicità Acuta in Mammiferi per la Designazione del Pericolo (LD50 (Orale, topi), g/kg)
Tossicità Acuta per Mammiferi Molto alta Alta Moderata Bassa
LD50 Orale (mg·kg-1) ≤ 50 > 50 - 300 > 300-2000 > 2000
LD50 Dermica (mg·kg-1) ≤ 200 > 200 - 1000 >1000-2000 > 2000
Inalazione LC50 (vapore/gas) (mg·L-1) ≤ 2 > 2 - 10 > 10 - 20 > 20
Inalazione LC50 (polveri/mist/fumo)/mg·L-1 ≤ 0.5 > 0.5 – 1.0 > 1.0 - 5 > 5
I criteri di tossicità acuta per mammiferi differenziano i composti in base alla misura comune del breve periodo di esposizione alla tossicità, esposizione a tempi brevi, La dose letale media o la concentrazione (LD50 o LC50), per via orale, dermica, e respiratoria. Questi valori sono derivati dai criteri GHS, [Capitolo 3.1: Acute Toxicity. 2009, United Nations].
100 g/kg 10 1 0.1 0.01 0.001
tossico Molto tossico
Attilio Citterio
Criteri per Tossicità Basati su Soglia (EPA)
Punto finale (LOAEL, NOAEL) Alto Moderato Basso Molto basso
Orale (mg/kg-bw/d) <50 50-250 >250-1000 > 1000
Cutaneo (mg/kg-bw/d) <100 100-500 >500-2000 > 2000
Inalazione (vapori, mg/L/d) <1 1-2.5 >2.5-20 > 20
Inalazione (polveri, mg/L/d) <0.1 0.1-0.5 >0.5-5 > 5
• Composti chimici con dati • Tiene conto delle vie di esposizione • Esempi di criteri basati su soglia:
− tossicità acuta − tossicità acquatica acuta − Bioaccumulazione − tossicità per dose ripetuta − tossicità riproduttiva e di sviluppo
Attilio Citterio
Valutazioni del Pericolo sulla Salute1
Tossicità Acuta Orale (LD50), Cutanea (LD50),
Inalazione (LC50)
▪ Irritazione Pelle o Corrosione
▪ Irritazione occhi o Corrosione Seri danni agli occhi
▪ Sensibilizzazione Cutanea e Respiratoria
▪ Genotossicità/Mutagenicità Mutagenicità Cellulare
▪ Cancerogenicità
• Tossicità riproduttiva
• Tossicità a Specifici Organi Bersaglio – Esposizione Singola
• Tossicità a Specifici Organi Bersaglio – Esposizione ripetuta
• Pericolo di aspirazione
1Vedere : Appendix A to 2012 OSHA HazCom Standard (1910.1200) and GHS (5th edition; 2013) per informazioni più dettagliate su ogni singola entità.
Attilio Citterio
Tossicità nell'Uomo per Ingestione
,
,
//
i w ii
tot w tot
C RfDINGTP
C RfD= oppure , 50
, 50,
//
i wi
tot w tot
C LDINGTP
C LD=
ING i ii
I INGTP m= ⋅∑
Compd. RfD, mg/kg/d
LD50, (rat) mg/kg
Pvap at 25˚C, mbar LC50, g/m3
4h (rat) INHTP
toluene 0.08 636 38 5 49 1.0
CH2Cl2 0.06 76 0.64
Esaneo 28,700 200 0.2 7.2
I dati RfD e RfC sono disponibili sul website IRIS. http://cfpub.epa.gov/ncea/iris/index.cfm?fuseaction=iris.showSubstanceList I dati di LD50 e LC50 sono disponibili sul website NTP. http://ntp.niehs.nih.gov:8080/index.html?col=010stat
(ricercare il composto, sceglierlo, quindi selezionare Effetti Tossicologici sulla sinistra)
Attilio Citterio
Assunti Fondamentali
(a) La risposta è causalmente correlata al composto somministrato
(b) La risposta è funzione della concentrazione nel sito d’azione
(c) La concentrazione al sito di azione è correlata alla dose esterna
(d) Un’interazione al sito di azione inizia una risposta proporzionale
(e) L’interazione cruciale implica la formazione reversibile di un complesso recettore-tossina
Attilio Citterio
Effetti sulla Salute dall’Esposizione di Inquinamento dell’Aria
Sistema Respiratorio
Sistema Circolatorio
Sistema nervoso centrale, Organi
Aerosol Cancerogeno
Radiazioni Ionizzanti
Cadmio, Cromo, Arsenico, Nichel (naso)
Iodio-131, (tiroide)
NOx, SOx, CO (gola)
Cadmio (cuore) Amianto (polmoni)
Mercurio (reni)
Stronzio-90 (ossa)
Aloidrocraburi (fegato)
Mercurio Piombo
Ingresso di particelle di aerosol nel sistema respiratorio (diametro particelle, µm)
> 10 10 6 3 1
< 1
Attilio Citterio
Malattie Respiratorie
• Bronchiti • Infiammazione dei tubi
bronchiali
• Enfisema Polmonare • Distruzione dei sacchi
alveolari
• Silicosi • Rivestimento interno
dei polmoni di particelle inorganiche fibrose
Sacchi alveolari
Attilio Citterio
Effetti sul Sistema Respiratorio
• Odori • per es.: Acido solfidrico
• Irritazione delle mucose, infiammazione • per es.: Ozono, Amianto
• Agenti mutageni • per es.: Particelle Radioattive, Nanomateriali
Attilio Citterio
Effetti sul Sistema Circolatorio
• Avvelenamento del Sangue da parte del CO • Deprime la cattura dell’ossigeno
CO + emoglobina a CO·Hb (carbossiemoglobina)
• Nella CO·Hb il CO occupa il sito normalmente usato per trasportare l’ossigeno ai tessuti del corpo
• L’esposizione al CO è cumulativa e reversibile
• Avvelenamento da Piombo • I globuli rossi trasportano il Piombo lungo tutto il corpo
Attilio Citterio
Effetti dell’Esposizione al CO
1
5
50
10
100
1 10 100 0.1 Esposizione (ore)
Perc
ento
di c
arbo
ssie
mog
lobi
na
Morte Coma Vomito, collasso Aritmia cardiaca Svenimenti, ridotte capacità mentali
Nessun sintomo
600 ppmv CO
300 ppmv CO
100 ppmv CO
30 ppmv CO
15 ppmv CO
Attilio Citterio
Organi, Sistema Nervoso Centrale
Metalli Pesanti: Piombo
— danni cerebrali, anemia, ossa, sistema immunitario
Mercurio — attacco al CNS, sistema immunitario, membrane cellulari
Cadmio — reni, cuore, centri CNS dell’odore, promotore del cancro
Arsenico — metabolismo cellulare
“Alluminio” — stomaco, ossa, metabolismo cellulare
Attilio Citterio
Cancerogeni
Materiali respirati o ingeriti che creano mutazioni cellulari
Metalli pesanti Arsenico, Cromo, Cadmio
Solventi Organici Volatili
Composti policiclici aromatici
Ammine aromatiche
Diossine
……….
Attilio Citterio
Cancerogeni
La Cancerogenicità richiede ulteriori riflessioni. Molti composti chimici possono causare il cancro Solo un numero ristretto sono cancerogeni umani noti
• http://ehp.niehs.nih.gov/roc/toc10.html – “ragionevolmente attesi” causare il cancro umano = 174
agenti – “conosciuti” causare il cancro umano = 49 agenti
• http://monographs.iarc.fr/monoeval/crthgr01.html – 75 agenti noti causare il cancro umano
Studi ad alte-dosi su animali identificano potenziali cancerogeni, ma i risultati si possono non applicarsi all’uomo, specialmente alle basse dosi.
Gli effetti cancerogeni di composti che si riscontrano in natura è spesso sopravvalutato.
Attilio Citterio
Cancerogeni
Bruce Ames, autore dell’Ames test di mutagenicità, suggerisce di adottare un approccio più ragionevole ai cancerogeni. L’indice HERP (Human Equivalent Rodent
Potential) classifica i cancerogeni nel nostro ambiente in base alla dose che causa il cancro nei topi.
http://pubs.acs.org/hotartcl/chas/96/julaug/ames/ames.html
Attilio Citterio
Criteri di Cancerogenicità EPA per la Designazione del Pericolo
Questi criteri seguono l'approccio di classificazione usato dall'International Agency for Research on Cancer (IARC),* e incorporano lo schema di classificazione del Globally Harmonized System (GHS).
Cancerogenicità Molto alta Alta Moderata Bassa
Cancerogenicità
Cancerogeno umano noto o
presunto (equivalente
alle Categorie GHS 1A e1B)
Sospetto cancerogeno
umano (equivalente
alla Categoria GHS 2)
Limitata o marginale
evidenza di cancerogenicità in animali (e
inadeguata evidenza
nell'uomo)
Studi negativi su
robusti meccanismi
basati su SAR
*[http://monographs.iarc.fr/ENG/Preamble/currentb6evalrationale0706.php. **GHS, Chapter 3.6: Carcinogenicity. 2009, United Nations.
Attilio Citterio
Altri Criteri di Tossicità per la Designazione del Pericolo
Mutagenicità / Genotossicità
Tossicità Riproduttiva e dello Sviluppo
Tossicità Riproduttiva e dello Sviluppo (inclusa la Neurotossicità dello Sviluppo)
Neurotossicità
Tossicità a dosi Ripetute
Sensibilizzazione Respiratoria e della Pelle
Irritazione/Corrosività a Occhi e Pelle
Attività Endocrina
Attilio Citterio
Radiazioni Ionizzanti
• Radioisotopi: una forma instabile di un atomo (tende a “decadere” spontaneamente)
• Notazione nucleare:
Simbolo A n Z m
(±) N° di massa = A Cariche elettriche (elettroni
in più o meno rispetto all'atomo neutro,
N° Atomico = Z Numero di atomi uguali aggregati con legami chimici
1 12 3 1271 6 53 3Es. : H ; C ; I+ −
• Particelle Alfa e Beta, raggi Gamma: prodotti ad alta-energia dal decadimento radioattivo
• Vita-media: tempo per il dimezzamento della massa del radioisotopo per decadere
Attilio Citterio
Recettori: Bersagli Molecolari di Composti Chimici
Recettori Recettori Canali ionici Proteine di trasporto Recettori accoppiati alla
Proteina G Recettori della Tirosina-Chinasi Recettori Ah Recettori degli Ormoni
Steroidei
Legante
Recettore
Componente cellulare influenzato
I più comuni sono proteine
Localizzate sull’esterno della parete cellulare, o all’interno della cellula
Interagisce con dei leganti
Attilio Citterio
Recettori Importanti in Farmacologia
• Agonisti ed antagonisti di neurotrasmettitori: • recettori colinergici: acetilcolina; • recettori nicotinici: muscolo scheletrico, gangli
autonomi; • recettori muscarinici: muscolo liscio, cuore, ghiandole
esocrine
• Recettori adrenergici: dopamina, endorfine, encefaline, istamina
• Recettori Ormonali: Insulina, cortisone (glucocorticoidi), estrogeno, progesterone, testosterone, prostaglandine
• Recettori di farmaci: Benzodiazepine
Attilio Citterio
Recettori Importanti in Tossicologia
– Recettore Ah (TCDD) – Recettori steroidei
k-1 R + T a R-T
k1
R = recettore T = composto tossico R-T = complesso recettore-composto k1 e k-1 sono le costanti cinetiche per la formazione e dissociazione (rispettivamente) del complesso R-T
Formazione reversibile di un complesso recettore-tossina
Attilio Citterio
Curve Dose-Risposta
LD50 LC50 ED50
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 10 100 1000
Mor
talit
à %
o R
ispo
sta
%
Dose (mg/kg) Scala logaritmica
0
5
10
15
20
25
1 10 100 1000d(
Mor
talit
à %
) / d
(dos
e)
Dose (mg/kg) Scala logaritmica
LD50
Attilio Citterio
Comuni Modelli Dose-risposta
• Normale:
• Logistica:
• Logistica Modificata : (e.g. Seefeldt et al. 1995) • Gompertz:
• Esponenziale:
( )2
2
,1
2
x
i jy eµ
σ
πσ
−
=
( )( )1 0,
11 i
i j dosey
eβ β−=
+
( )( )( ),1 i
i j B dose I
D Cy Ce − −
−= +
+
( )1, 0
dosei jy e ββ −=
( )1, 0 1 dose
i jy e ββ − = −
( )1
, 0
doseei jy e
β
β−−=
Attilio Citterio
Studi di Tossicità Acuta
Singola dose - topo, gatto (5/sesso/dose), cane, scimmia (1/sesso/dose)
Osservazione per 14 giorni
Osservazioni in-vita (peso corporeo, consumo alimenti, osservazioni cliniche)
Necroscopia
Studi a dosi ripetute - topo, gatto (5-10/sesso/dose), cane, scimmia (2/sesso/dose)
Osservazioni in-vita
Necroscopia
Istopatologia
Patologia clinica (opzionale)
Attilio Citterio
Valori LD50 Acuta vs. Tossicità
Composto Chimico LD50 (mg/kg) Tossicità
Cloruro di sodio 4000 Lievemente tossico
DDT 100 Moderatamente tossico
Picrotossina Stricnina Nicotina
5 2 1
Molto tossico
Diossina Tossina del Botulino
0.001 0.00001
Super tossico
Attilio Citterio
Valori LD50 Acuta Orale vs. Tossicità
Categoria Dose (mg/kg peso corpo) Specie Cp. Chimico
Praticamente nontossico 15 000
Lievemente tossico 10 000 Topo Etanolo
5 000
Moderatamente tossico 4 900 Ratto Glifosato
750 Ratto Atropina
500
Molto tossico 250 Ratto Carbaril
50
Estremamente tossico 13 Ratto Paration
5
Supertossico 3 Ratto Warfarin
0.4 Anatra Aflatossina B1
Attilio Citterio
Differenze tra Speci nella Tossicità Acuta della Diossina*
Specie LD50 (µg/kg peso corpo)
Porcellino d'india 0.5-2
Ratto 20 -100
Topo 114-284
Coniglio 10-115
Pollo 25-50
Scimmia Rhesus < 70
Cane >30-100
Criceto 5051
*Diossina: 2,3,7,8-tetraclorobenzodiossina: TCDD
Attilio Citterio
Altri Fattori
Durata dell’esposizione
L’interazione può non essere reversibile
Il ripristino o la rimozione del complesso R-T può essere importante
La risposta può essere multi-stadio, il legame di T a R può non essere lo stadio determinante la velocità
Assume la distribuzione normale (Gaussiana)
Popolazione uniforme - nessuna differenze inter-individuali significative nelle risposte
Risposta dicotomica (quantile), p. es. incidenza di tumori.
Attilio Citterio
Fattori Effetto (EF) e Pericolo
Fattori di rischio secondo TRGS 440 (GER 2001) Frasi di Rischi Pericolo Fattore effetto
R45, R46, M1, M2, K1, K2 R26, R27, R28 o LGW < 0.1 mg/m3
R32, R60, R61, RE1, RE2, RF1, RF2 R35, R48/23, R48/24, R48/25, R42, R43 R23, R24, R25, R29, R31, R34, R41, H R33, R40, K3, M3, pH < 2 o pH > 11.5 Non sufficientemente testati R48/20, R48/21, R48/22, R62, R63, RE3, R20, R21, R22 R36, R37, R38, R65, R67 altre frasi di rischio o LGW > 100 mg/m3
Cancerogeno o mutageno altamente tossico potenziale tossicità riproduzione o teratogeno, formazione di gas molto tossici in contatto con acidi molto corrosivo, alta tossicità cronica, potenzialmente sensibilizzante tossico, generazione di gas tossici in contatto con L’acqua o acidi, caustico per gli occhi, assorb. pelle Rischio di effetti cumulativi, danni potenzialmente irreversibili, sospetto mutageno o effetti cancerogeni = Nessun LGW, nessuna frase di rischio cronicamente dannoso, sospetta tossicità per la riproduzione o effetti teratogeni pericoloso irritante, narcotico
50,000 1,000 1,000 500 100 100 100 50 10 5 1
Attilio Citterio
Andamenti della Tossicità in Molecole Simili
DL50 (topo, orale) 54.3 mmol/kg 133 mmol/kg 12.3 mmol/kg 13.9 mmol/kg
DL50 (topo, orale) 43.5 mmol/kg 29.8 mmol/kg 2.74 mmol/kg 1.20 mmol/kg
CH3 CH2
OHC
O HC
O OH O NHOH
O
OH OH
OH
O
O
Attilio Citterio
Andamenti della Tossicità in Prodotti di Reazione
conc. H2SO4 conc. HNO3 + +
+ +
Fattore effetto > 1000 Fattore effetto > 100 – 1000 Fattore effetto > 10 – 100 Fattore effetto = 0 - 10
CH3 CH3
N+O-
O
CH3
N+
O-O
CH3
N+O-
O
N+
O-O
CH3
N+O-
O
N+
O-O
N+
O-
O
N+
O-O
N+O-
OCH3
CH3
N+ O-
O
Attilio Citterio
Tossicità Subacuta
Studio di 28 giorni (3 dosi e controllo)
Specie - topo (10/sex/dose), cane o scimmia (2/sesso/dose)
Osservazioni in-vita
Patologia clinica
Necroscopia
Istopatologia
Attilio Citterio
Tossicità Subcronica
• Studio 13 settimane +/- 4 settimane recupero (3 dosi e controllo)
• Specie - topo (10/sesso/dose), cane o scimmia (2/sesso/dose)
• Osservazioni in-vita (+/- oftalmologia)
• Patologia clinica
• Necroscopia
• Istopatologia
Attilio Citterio
Tossicità Cronica
Studio di 1 anno +/- 4-13 settimane di recupero (3 dosi e controllo)
Specie - topo (10-15/sesso/dose), cane o scimmia (2-3 /sesso/dose)
Osservazioni in-vita inclusa l’oftalmologia
Necroscopia
Istopatologia
Attilio Citterio
Composti Interferenti Endocrini (ED)
Qualsiasi agente esogeno che causa effetti nocivi sulla salute in un organismo intatto, o progenie, consequente al cambio nelle funzioni endocrine. Specificamente: Qualsiasi composto chimico esogeno ch interferisce con la produzione, rilascio, trasporto, legame, azione, o eliminazione di ormoni naturali responsabili per il mantenimento dell'omeostasi e la regolazione dei processi di sviluppo.
La definizione WHO/IPCS si caratterizza per tre elementi: un composto chimico si può definire un ED; 1. se mostra un effetto avverso in un organismo intatto (generalmente
in base a test su animali vivi); 2. se è in grado di interferire con il sistema endocrino/ormonale (dati
meccanicistici mostrano che la sostanza può agire tramite una modalità di azione endocrino/ormonale); e
3. se si può stabilire una connessione plausiibile tra le modalità di azione endocrina e l' the effetto avverso osservato per la sostanza.
Attilio Citterio
La lista EU dei Potenziali Interferenti Endocrini
• Categoria 1: Le sostanze per cui l'attività endocrina è stata documentata in almeno uno studio su organismi viventi. Queste sostanze hanno la massima priorità per altri studi. La categoria 1 contiene 194 sostanze.
• Categoria 2: Le sostanze senza sufficiente evidenza di attività endocrina, ma con evidenza di attività biologica connessa all'interferenza endocrina.
• Categoria 3a e 3b: Le sostanze per cui non ci sono indicazioni di proprietà di interferenza endocrina o che non possono essere valutate a seguito della mancanza di dati.
Le valutazioni si basano su varie modalità endocrine: l'androgeno (A), l'estrogeno (E), il tiroideo (T) e lo steroidogenesi (S) (spesso indicate come modalità EATS s) (OECD 2012*; EFSA 2013**)
*http://www.oecd.org/officialdocuments/publicdisplaydocumentpdf/?cote=env/jm/mono(2012)22&doclanguage=en **EFSA Journal 2013;11(3):31323. doi: 10.2903/j.efsa.2013.3132
Attilio Citterio
Endocrine Disruptors
Almeno 4 Modi d'Azione
Servono come leganti di recettori di steroidi. Modificano enzimi che metabolizzano gli ormoni steroidei. Perturbano il rilascio di ormoni trofici dalla ghiandola pituitaria ipotalamica. Misti o sconosciuti. Composti Chimici: Ampia Varietà -
Pesticidi Erbicidi Fungicidi Plastificanti Tensioattivi Organometalli PAH Alogenati Fitoestrogeni
Attilio Citterio
Prototipi di Esoestrogeni: si Noti le Diverse Strutture Chimiche
legante Endogeno Estrogeno sintetico
17b-estradiolo Dietilstilbesterolo
Zearalenone o.p’-DDT
Bisfenolo-A Genisteina
OH
OH
H
CH3
H
H
OH
OH
OH
O
OOH
Cl
Cl ClCl
Cl
OH OH OH
O
OHO
OH
Attilio Citterio
Esempi Specifici di Interferenti Endocrini
Tributil-stagno Causa ermafrodismo e intersessualità nei molluschi gastropodi. I neogastropodi hanno sessi separati ma si è visto che molte femmine del gasteropode Nucella lapillus da certe aree dell'Inghilterra hanno una struttura simile ad un pene dietro il tentacolo destro. Ciò è stato anche osservato in altre specie di gastropodi negli US. Il termine “imposex” fu coniato per descrivere la sovrapposizione di caratteri maschili in femmine. Si è dimostrato che livelli di imposex sono elevati in vicinanza ai porti, una circostanza attribuita alla presenza di rivestimenti anti-incrostanti.
Environ. Toxicol. Chem. 17, 1998, 5.
Prodotti naturali
Inquinanti ambientali
Prodotti industriali Farmaceutici Miscele complesse
Genisteina DDT Bisfenolo A Etinil estradiolo Effluenti
Naringenina Kepone Tensioattivi nonionici Dietilstilbestrolo Estratti sedimenti
Cumestrolo PCBs/HO-PCBs Esteri ftalati Gestodene Particolato atmosf.
Zearalenone PAHs e diossine Endosulfan Norgestrel Estratti di tessuti
*DDT = dichorodifeni\ltrichloroethane, PCBs = polychlorinated biphenyls, HO-PCBs = hydroxylated PCBs
Attilio Citterio
Studi di Cancerogenesi
2 anni (3 dosi e controllo)
Specie - topo e gatto (50/sesso/dose)
Osservazioni in-vita
Patologia clinica (topi, opzionale)
Necroscopia
Istopatologia
Sopravvivenza
Peso corporeo
Variabilità dei punti finali
Patologia gruppo di lavoro
MTD
Statistiche vs. biologia
Dose-risposta
Fattori meccanicistici
Parametri di Valutazione
Attilio Citterio
Protezione della Salute Umana
• Sicurezza e salute sul lavoro • Limiti di esposizione a tempi brevi (STEL) • Medie temporali pesate (TWA)
• Obiettivi specifici di qualità
• Monitoraggio e Bio-monitoraggio
Tossicologia Occupazionale Campo multidisciplinare: • Vie di esposizione e immissione • Metabolismo P450 e caratterizzazione dei metaboliti tossici • Fase II: metabolismo e identificazione dei metaboliti urinari • Caratterizzazione di addotti del DNA • Identificazione dei tessuti bersaglio
Attilio Citterio
Esempio: Limiti dei Metalli nella Direttiva EU sui Giocattoli (2009/48/EC)
Elemento Requisito (mg/kg)
In materiali per giocattoli secchi e fragili, come
polveri o flessibili
In materiali per giocattoli liquidi o
appiccicosi
In materiali per giocattoli
raschiati
Alluminio 5625.00 1406.00 70000
Antimonio 45.00 11.30 560
Arsenico 3.80 0.90 47
Bario 4500.00 1125.00 56000
Boro 1200.00 300.00 15000
Cadmio 1.30 0.30 17
Cromo(III) 37.50 9.40 460
Cromo(VI) 0.02 0.005 0.2
Cobalto 10.50 2.60 130
Rame 622.50 156.00 7700
Piombo 13.50 3.40 160
Manganese 1200.00 300.00 15000
Mercurio 7.50 1.90 94
Nichel 75.00 18.80 930
Selenio 37.50 9.40 460
Stronzio 4500.00 1125.00 56000
Stagno (Sn organico 0.9, 0.2, 12) 15000.00 2750.00 180000
Zinco 3750.00 938.00 46000
Attilio Citterio
Limiti di Esposizione Occupazionale
• TLV, Threshold Limit Value
• TWA, Time-Weighted Average (8h/day, 40 h/week) • Usato per contaminanti con effetti a lungo-termine o cronici
– Piombo, cancerogeni, ecc. • Esposizione “Integrata” sul periodo
– TWA a singolo campione – Campioni multipli possono essere combinati
• TLV-C, livello superiore (Ceiling)
• STEL, limite di esposizione a a breve termine
• IDLH, Pericoloso per la vita e per la salute
1 1 2 2
1 2
. . .. . .
n n
n
C T C T C TTWAT T T+ +
=+ +
Attilio Citterio
Esempio di Valori TWA, STEL e IDLH per Alcuni Composti Chimici (in ppm)
Sostanza TLV TWA TLV STEL IDLH
Acetaldeide - 25C 2,000
Acido acetico 10 15 50
Acetone 500 750 2,500
Acroleina - 0.1C 2
Acrilonitrile 2 - 85
Ammoniaca 25 35 300
Arsina 0.05 - 3
Benzene 0,5 2,5 500
Trifluoruro di Boro - 1C 25
Bromo 0.1 0,2 3
1,3 – Butadiene 2 - 2000
Butano 1000 - -
Acrilato di n-Butile 2 - -
Alcool n-Butilico 20 - 1400
Butil Mercaptano 0.5 - 500
Biossido di Carbonio 5000 30000 40000
Disolfuro di Carbonio 10 - 500
Monossido di Carbonio 25 - 200
Tetracloruro di Carbonio 5.1 1 10
Dati da "2005 Threshold Limit Values & Biological Exposure Indices", 2005 pubblicato da American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH). Valori di IDLH estratti da "NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards", 2004 pubblicato dal National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH). “C” indica il "Ceiling Limit".
Attilio Citterio
Esempio di calcolo del TWA
Assumere 4 campioni di esposizione
1. 1 ora, 10 ppm 2. 3 ore, 20 ppm 3. 3 ore, 30 ppm 4. 1 ora, 100 ppm
ppmTWA 32)1331(
)1001()303()203()101(=
+++×+×+×+×
=
(media diretta = 40 ppm)
Attilio Citterio
Interazioni
• Additività I composti chimici A, B, C…N sono tutti tossici Potenza della miscela = Σ potenze dei costituenti Effettototale = PotenzaA DoseA + PotenzaB DoseB + PotenzaC DoseC +…..+ PotenzaN DoseN
• Sinergia La potenza dell’insieme è maggiore della somma delle potenze dei singoli costituenti Effettototale >> PotenzaA DoseA + PotenzaB DoseB… +… + PotenzaN DoseN
• Potenziamento Un costituente è tossico, l’altro non lo è. La potenza della combinazione è superiore alla potenza del costituente attivo Effettototale >> PotenzaA DoseA in cui PotenzaB = 0
• Antagonismo La potenza del tutto è minore della somma delle potenze dei singoli componenti Effettototale << PotenzaA DoseA + PotenzaB DoseB… +… + PotenzaN DoseN
Attilio Citterio
Vie di Esposizione
• Aerea (polveri, fibre, materiale particolato, aerosol, gas)
• Acquatica (soluzioni, sospensioni, emulsioni)
• Alimentare (solidi, liquidi)
Pelle (percutanea)
Tratto respiratorio (inalazione)
Tratto gastrointestinale (ingestione)
Transplacentare
Iniezione
Equivalenti Sperimentali
Spalmatura della pelle Instillazione intra-tracheale Somministrazione orale Somministrazione alla madre Iniezione
Portali d’Ingresso
Attilio Citterio
aria esalata
Valutazione dell’Esposizione
Monitoraggio dell’aria
Metaboliti del sangue
Addotti proteici
metaboliti urinari
Evidenze Chimiche dell’Esposizione
• Metaboliti urinari, o nell’aria • Residui nei tessuti, inclusi il sangue
(campionamento) • addotti macromolecolari legati
covalentemente − Addotti al DNA – Addotti alle proteine
• Anticorpi
Attilio Citterio
Le Maggiori Strutture della Pelle
Attilio Citterio
Effetto sulla Pelle del Contatto con Solventi
Acetone 600 µmol Acrilato di Etile
60 µmol TPGDA 1.25 µmol TPA
Attilio Citterio
Fasi e Conseguenze dell’Esposizione
• Assorbimento
• Distribuzione
• Metabolismo
• Eliminazione
Attilio Citterio
Meccanismi di Acquisizione
• Diffusione passiva
• Filtrazione
• Trasporto mediato da un “Carrier” – Diffusione facilitata – Trasporto attivo
• Cattura – Pinocitosi – Fagocitosi Maggiore
concentrazione
Minore Concentrazione
Diffusione
Filtrazione
Poro
Bistrato lipidico
Carrier
Diffusione Facilitata
trasporto attivo
Meccanismo di ingresso chimico
Attilio Citterio
Cattura (Fagocitosi, Pinocitosi, Endocitosi)
Il meccanismo cellulare che porta all'internalizzazione di componenti extracellulari (solidi o liquidi)
Attilio Citterio
Fattori che Influenzano le Vie e la Velocità di Immissione
• Proprietà del composto chimico – Forma e dimensione – Similarità con molecole “endogene” – Solubilità
• Idrofilicità / idrofobicità • Lipofilicità / lipofobicità • Coefficiente di ripartizione: Kow
– Log10 of [ottanolo]/[acqua]
– Carica • Stato di ionizzazione
Attilio Citterio
Modellazione Farmacocinetica Basata sulla Fisiologia
Ogni organo/tessuto rilevante è uno scomparto
I materiali fluiscono nello scomparto, ripartendosi e distribuendosi negli scomparti circostanti, e fluiscono dallo scomparto – usualmente nel sangue
Se le velocità di flusso del sangue, il volume dello scomparto ed il coefficiente di ripartizione sono noti, si può scrivere una equazione per ogni scomparto
Assumendo la conservazione di massa, si risolvono le equazioni simultaneamente – e si possono calcolare le concentrazioni (masse) in ogni scomparto in ogni istante.
Attilio Citterio
Esempio di Modello
Aria inalata
Polmoni
Sangue arterioso
Sangue venoso
Urina
Metabolismo
Fegato
Reni
Resto del corpo
Attilio Citterio
Biomarcatori e Loro Tipologia
Livelli di Aria
Peso corporeo
Dose Interna di Metabolita
Reattivo
Dose Biolo- gicamente
Efficace
Effetti Biologici Iniziali
Malattia
Valutazione Esposizione esterna
Biomarcatori di Esposizione
Biomarcatori di Effetto
Biomarcatori di Suscettibilità
Biomarcatori di Suscettibilità
Attilio Citterio
Esempi di Biomarcatori
Si noti che le classificazioni sotto indicate NON sono esatte - si intende solo fornire una base di comprensione. (P.es., gli addotti al DNA si possono considerare una misura d’effetto iniziale piuttosto che d’esposizione)
Biomarcatori di Esposizione • Peso corporeo
• Respiro esalato • Livelli di sangue o urine
• Dose Metabolita Interno • Livelli di metabolita nel sangue • Addotti proteici • Livelli di metabolita nelle urine
• Dose Biologicamente- Efficace • Addotti del DNA
Biomarcatori di Effetto • Scambi di cromatidi • Micronuclei • Danni cromosomici
Biomarcatori di Suscettibilità • Velocità di respirazione • Genotipo di enzima (sequenza
DNA) o fenotipo (attività) • P450s • Glutatione S-transferasi • Epossido idrolasi • Enzimi di ripristino del DNA
Attilio Citterio
Biomarcatori - Dipendenza dall’Esposizione
Alto R2
l’esposizione esterna dipende linearmente dalla dose
bassa variabilità inter-individuale nell’assimilazione e metabolismo
il biomarcatore è specifico la dimensione del campione è
adeguata
Biomarcatore
Esposizione Esterna
R2 rappresenta la variazione % nel biomarcatore (p.es., dose tissutale) che può essere spiegata dall’esposizione
Basso R2
PIU’ DIFFICILE DA INTERPRETARE l’esposizione esterna non dipende
linearmente dalla dose alta variabilità inter-individuale
nell’assimilazione e metabolismo il biomacatore non è specifico la dimensione del campione è
inadeguata
Attilio Citterio
Scelta dei Biomarcatori
La scelta dipende da un numero di fattori:
Ambito temporale (effetti a breve o lungo-termine? latenza della malattia?)
L’esposizione è costante o molto variabile sulla scala di minuti/ore/giorni/settimane/mesi?
Numero di soggetti? Limiti di finanziamento/tempo? Metaboliti tossici noti? Meccanismo di tossicità noto o no? Via di esposizione (per inalazione, o anche cutanea/orale)? Differenze inter-individuali nell’assunzione (sistemi di protezione) o
metabolismo? Sorgente di esposizione Quali tecniche di (bio)monitoraggio sono disponibili?
Attilio Citterio
Monitoraggio Ambientale vs. Biomonitoraggio
Monitoraggio Esterno Confrontabili con dati noti
Costi inferiori
Attività meno specializzate
Maggior numero di campioni
Più facile da ottenere (aria)
Solo esposizione da inalazione
Solo esposizioni sul lavoro
Periodi brevi (minuti-ore)
Livelli in aria del composto
Biomarcatori di Esposizione • Tecniche nuove, pochi dati storici
• Costi superiori
• Attività molto specializzate
• Minor numero di campioni
• Più difficili da ottenere (sangue, urina, ..)
• Tutte le vie di esposizione (inalazione, cutanea, orale)
• Riflette TUTTE le esposizioni (dieta, ...)
• Periodi da brevi a lunghi (min.- settimane)
• Livelli nei tessuti di metabolita reattivo • Tiene conto delle abitudini personali
(lavaggio delle mani, uso di DPI) • Differenze interindividuali di
metabolismo (sia attivazione che detossicazioni) e ripristino
Attilio Citterio
Scelta del Biomarcatore
Buona correlazione tra biomarcatore ed esposizione
Alto R2 Nessuna necessità di ricorrere al
biomarcatore - la scelta cade sul sistema meno costoso e più semplice (generalmente la misura esterna)
Biomarcatore
Esposizione esterna
Biomarcatore
Esposizione esterna
Scarsa correlazione Basso R2 Richiama due distinte popolazioni -
indicativo di differenze in immissione (DPI) metabolismo ripristino
I Biomarcatori sono utili.
Attilio Citterio
Addotti Proteici
Proteine usate • Emoglobina (Hb)
• tempo di vita dei globuli rossi 120 giorni • 150 mg/mL di sangue
• Albumina
• vita media 20-25 giorni • 18-25 mg/mL di sangue
• Proteina del tessuto target
• Gli addotti proteici si possono usare per predire la concentrazione media nel sangue (dose sanguigna) del metabolita reattivo nell’arco di vita della proteina. Indipendentemente dalla proteina usata, la dose predetta deve essere la stessa.
Attilio Citterio
Benzene
produzione elevata: 48 miliardi di chili nel mondo nel 2016
l’esposizione umana è dovuta al fumo di sigarette, benzina e prodotti di lavorazione del petrolio
esposizione alte si osservano in paesi quali Cina e Turchia
causa il cancro in topi ed emotossicità e leucemia in persone esposte
I metaboliti responsabile per la tossicità del benzene sono tuttora sconosciuti; le possibilità includono: benzene ossido (BO) 1,2- o 1,4-benzochinone idrossibenzochinone trans,trans-muconaldeide specie ossigenate reattive
Attilio Citterio
Metabolismo del Benzene
o
benzene
Benzene ossido
OH
P450
fenolo
Trasposizione non enzimatica
SG Coniugato del
Glutatione
GST/GSH
P 4 5 0
OH
HO
idrochinone
O
O
OH
OH
catecolo
O
O
1,2-benzochinone
CHO
CHO
COOH
COOH
t,t-muconaldeide Acido Muconico
1,4-benzochinone
OH
OH
Epossido idrolasi
diidrodiol deidrogenasi
reazione con macromolecole
reazione con macromolecole
Coniugati con solfato e glucoronide
Acido S-fenil mercapturico
reazione con macromolecole
Attilio Citterio
Esempio di Valutazione dell’Esposizione: Alcol Etossisolfati, AES
Tipica Distribuzione di Addotti Etossilati :
Gruppi EO medi 3 2 1 Distribuzione oligomeri, %m/m, di RO(CH2CH2O)nH dove n=
0 13.1 23.5 42.9 1 9.1 12.8 20.3 2 11.9 15.6 14.9 3 12.9 13.4 8.8 4 11.8 10.1 5.1 5 10.3 7.5 3.0 6 7.9 5.0 1.9 7 6.5 4.0 1.4 8 4.8 2.9 0.9 9 3.9 1.8 0.5
10 2.9 1.4 0.3 11 1.9 0.9 0.1 12 1.3 0.6 13 0.7 0.3 14 0.5 0.2 15 0.3
Numero medio di EO 3.1 2.1 1.0
CH3(CH2)xO(CH2CH2O)nSO3Na
x = 7 – 15, tipicamente 11. 90-40% delle catene organiche sono lineari, il resto sono isomeri 2-alchilici mono-ramificati, prevalentemente 2-metile. n varia tra 0-8.
Usati come detergenti/agenti di pulizia. L’etossilazione degli alcoli è effettuata sotto catalisi basica con ossido di etilene. Il n medio per i gradi di solfatazione importanti è 1-3 moli di EO per mole di alcol. Il diossano formato è tossico e si deve eliminare. Fonte: Hera 2003
Attilio Citterio
Contatto Diretto con la Pelle per Lavaggio Manuale
Expsys = F1 × C × Kp × t × Sder × n / BW
F1 % frazione in peso della sostanza nel prodotto 20% (0.2) [dato AISE/HERA] C concentrazione del prodotto in mg/ml: 10 mg/ml [AISE/HERA [Tabella H&P, 2002] Kp coefficiente di penetrazione dermica 1.62 × 10-4 cm/h* [Black et al. 1979] t durata dell’esposizione o contatto 10 min. (0.167 h) [AISE/HERA Tab. 2002] Sder area superficiale della pelle esposta 1980 cm2 [TGD, 1996] n frequenza di uso del prodotto (in un giorno) 3 [AISE/HERA 2002] BW peso corporeo 60 kg
* il coefficiente di penetrazione dermica è calcolato dal flusso dermico (0.39 μg/cm2) che è stato determinato in esperimenti in vivo di penetrazione dermica condotto in base al seguente algoritmo: Kp = flusso dermico/tempo di esposizione × concentrazione della soluzione; Kp = 0.00039 mg/cm2/24 h × 10 mg/cm3 = 1.62 × 10-4 cm/h
Expsys = [0.2 × (10 mg/ml) × (1.62 x 10-4 cm/h) × (0.167 h) × 3 × (1980 cm²)] / 60 kg = = 5.4 μg/kg corpo/giorno
Attilio Citterio
Ricerca di Dati ed Esplorazioni su Basi Chimiche
Banche Dati
Ricerca Dati
Strutture - ricercabili
Composto(i) Chimico(i) di interesse
Dati Specifici Composto
Analoghi Strutturali
Proprietà analoghi
Analoghi Biologici/ Meccanicistici
Relazioni Struttura-Attività
Attilio Citterio
Ricerca per: Nome Chimico - CAS Registry #
http://cfpub.epa.gov/ncea/iris/index.cfm
Attilio Citterio
Raccolte Dati Chimici dell’EPA
National Toxicology Program
National Library of Medicine PubChem Chemical
Structures
Chemical Names CAS Registry Nos.
European Chemicals Bureau (SIDS)
Toxico- genom
ics
Ecotox, A
ster, Teratox
Pesticides O
ther Ingredients
Pesticides A
ctives
IRIS
Drinking water contaminants
Air
Tasca Substance R
egistry List
High P
roduction Volume
Information S
ystem
Green C
hemistry Chemical
Structures
Attilio Citterio
http://ntp.niehs.nih.gov/
Attilio Citterio
Dati Sperimentali di Tossicità → Dati Riassuntivi
Strutture Chimiche
Biologia
Composto Chimico
Profilo Biologico
Ricerca strutture
Analoghi strutturali
Raccolta misure di tossicità
Yang et al (2006) Landscape of current toxicity databases and database standards. Curr Opinion Drug Discov Develop 9(1),124-133.
Yang et al (2006) The art of data mining the minefields of toxicity databases to link chemistry to biology. Curr Comput-Aided Drug Design, 2(2), 135-150.
Attilio Citterio
Strategia per la Valutazione dei Composti
1. Screening in Silico a) Epi-suite (US EPA) b) Toxtree (JRC) c) Demetra/Caesar (prog. EU) …
Descrittori di Toxtree : MW LogP Tensione di Vapore Solubilità in acqua Solubilità nei Lipidi Punto di fusione Tensione Superficiale
-4
-2
0
2
4
6
-4 -2 0 2 4 6
Valo
ri pr
edet
ti [-
log(
mg/
L)]
Valori sperimentali [-log(mg/L)]
Predizioni DEMETRA Daphnia EC50
Attilio Citterio
Sistema di Ricerca PubChem
PubChem è un componente del National Institutes of Health (NIH) Roadmap Molecular Libraries Initiative.
PubChem contiene informazioni sulle sostanze, le strutture dei composti ed i dati di bioattività.
PubChem è integrato con Entrez, il principale motore di ricerca di NCBI.
•3 database principali: PC Substance; PC Compound; PC BioAssay.
Attilio Citterio
Informazioni PubChem ...
Riassunti MEDLINE
VAST similarità di
struttura Risultati di prove di bioattività
Strutture di piccole molecole
Strutture 3D
Statistiche della frequenza dei Termini
Similarità strutture chimiche
Similarità di profilo di attività
Attilio Citterio
Banche Dati Tossicologiche
Attilio Citterio
Dominio di Correlazione
Ricerca Dati Modelli di dati relazionali Descrizione tossicologica Dati standard Integrazione di dati Attività riassuntive
Profilo Biologico
Saggi HTS Tossicogenomica Metabolomica Modo-di-azione
Tossico- chemoinformatica
Genomica Chimica Diversità Chimica Intorno Chimico
Modellizzazione QSAR Proprietà chimiche Descrittori strutturali Metrica di similarità chimica Associazioni statistiche
Tossicologia Predittiva
Attilio Citterio
Sviluppo di Test Alternativi di Tossicità
REACH, Art.1: “Lo scopo di questo Regolamento è di assicurare un alto livello di protezione della salute umana e dell’ambiente, inclusa la promozione di metodi alternativi per la valutazione del pericolo delle sostanze …”
Art.13: “… In particolare per la tossicità umana, si devono generare informazioni per quanto possibile con mezzi diversi dai test sui vertebrati, tramite l’uso di metodi alternativi, per esempio, metodi in vitro o modelli di relazioni qualitative o quantitative struttura-attività o da informazioni da sostanze strutturalmente correlate …”
Uso di sistemi esperti per predire la tossicità
Attilio Citterio
Episkin: Modello di Pelle Umana Ricostruita
OBIETTIVO: multistrato artificiale di pelle umana OECD 431 Metodo in vitro dove la sostanza test è applicata allo strato corneo del modello di epidermide a diversi tempi di esposizione. Rivelazione tramite analisi dell’attività mitocondriale Sostituzione del test di corrosività in vivo per l’identificazione del pericolo e la classificazione del potenziale corrosivo.
Attilio Citterio
Aberrazione Cromosomica
OBIETTIVO: PBMC (Peripheral Blood Mononuclear Cell ) umana OECD 473
Le aberrazioni indotte da Mutageni includono: • Salti • Rotture • Cromosomi dicentrici • Cromosomi ad anello
Attilio Citterio
ECOTOSSICITA'
Attilio Citterio
Dove va a Finire un Inquinante?
Prima di valutare l'impatto di un inquinante bisogna trovare dove va a finire nell'ambiente.
Bisogna definire: 1. 2. 3. 4.
Kow Koc
La costante della Legge di Henry il Modello a Compartimenti Multipli
aria
Acqua
suolo sedimenti
Attilio Citterio
Formulazione del Modello a Compartimenti Multipli
Parametri di Dominio del Modello • area della superfice - 104 -105 km2 • 90% area di terra, 10% acqua • altezza dell'atmosfera - 1 km • profondità del suolo - 10 cm • profondità dello strato di sedimenti - 1 cm • compartimenti multifase
Multimedia compartment model Processi modellizzati • ingresso emissioni, E • avvezione dentro e fuori, DA • trasferimento di massa inter-compartimenti : Di,j
• perdite di reazione, DR
Mackay, D. 1991, ”Multimedia Environmental Models", 1st edition,, Lewis Publishers, Chelsea, MI
DR1
DA1
D21 D12 D13 D31
D32 DR2
DA2
D42 D24
DR4
DA4 E4
E2 CB2 GA2 DR3
E3
GA1 CB1
E1 ARIA (1) f1
SUOLO (3) f3
Acqua (2) f2
SEDIMENTI(4) f4
100 km
100 km Aria
Suolo
1 cm
Sedimenti 1 cm prof.
Acqua 20 m Prof.
MODEL DOMAIN (Non in scala)
Attilio Citterio
Dati Immessi nel Modello MCM
Proprietà Ambientale
Unità Localizz. Sul foglio excel
Benzene
Etanolo
PCP*
Massa Molecolare g/mol C6 78.11 46.07 266.34
Punto di Fusione ˚C C7 5.53 115 174
Constante di Dissociazione log pKa C8 4.74
Solubilità in acqua g/m3 C11 1.78E+2 6.78E+5 14
Tensione di Vapore Pa C12 1.27E+4 7.80E+3 4.15E-3
Coefficiente Ottanolo-acqua log Kow C13 2.13 -0.31 5.05
Emivita in aria hr C33 1.7E+1 5.5E+1 5.50E+2
Emivita in acqua hr C34 1.7E+2 5.5E+1 5.50E+2
Emivita nel suolo hr C35 5.5E+2 5.5E+1 1.7E+3
Emivita nel sedimento hr C36 1.7E+3 1.7E+2 5.50E+3
*PCP = Pentaclorofenolo
Attilio Citterio
Data immessi nel Modello MCM
Composto Chimico Percentuale (%) (scenario d'emissione) Massa totale
(kg) Aria Acqua Suolo Sedimenti
Benzene (a) 1.98×104 99.59 0.29 0.12 1.0×10-3
Benzene (b) 1.41×105 4.48 95.17 5.5×10-3 0.35
Benzene (c) 6.86×104 20.61 1.61 77.78 5.8×10-3
Etanolo (a) 4.56×104 92.87 3.85 3.28 2.9×10-3
Etanolo (b) 7.35×104 0.22 99.7 7.8×10-3 0.08
Etanolo (c) 7.84×104 0.92 5.64 93.42 0.02
Pentaclorofenolo (a) 2.07×106 0.26 2.56 97.07 0.11
Pentaclorofenolo (b) 4.59×105 7.2x10-5 96.19 0.03 3.78
Pentaclorofenolo (c) 2.39×106 2.9x10-4 0.54 99.44 0.02
a) 1000 kg/hr emessi nel compartimento aria b) 1000 kg/hr emessi nel compartimento acqua c) 1000 kg/hr emessi nel compartimento suolo
Attilio Citterio
Kow e Bioaccumulazione
Kow = [soluto] ottanolo
[soluto] acqua 1-ottanolo
acqua
-1 1 3 5 7 0 2 4 6 8 9
metanolo -0.74
1-exanolo 2.0
(C6Cl5)2O 8.3
C6Cl6 5.5
1-decanolo 4.6
1-butanolo 0.8
idrofobo lipofilo
idrofilo lipofobo
logKow
I dati di Kow sono ottenuti da CRC Handbook of Chemistry and Physics. Stimati da ChemDraw o da http://www.vcclab.org/lab/alogps/start.html
HCO2H THF NEt3 toluene esano ottano decano Acido stearico -0.5 0.5 1.45 2.73 4.0 5.2 6.3 8.2
Composto Kow logKow
metanolo 0.18 -0.74
benzene 148 2.17
toluene 537 2.73
decacloro- bifenile
182,000 8.26
Attilio Citterio
Stime dell'EC50
• Un parametro chiave nella valutazione del rischio ambientale e nella predizione dell'evoluzione dei composti chimici nell'ambiente.
• Descrive l'idrofobia o l'idrofilia di un composto. • Si può usare per stimare l'EC50 per organismi semplici perché Kow è la
base di correlazione per il calcolo del bioaccumulo e tossicità. • Log Kow si può stimare usando vari software quali KowWIN (metodo dei
contributi di atomi/frammenti). http://www.epa.gov/opptintr/exposure/docs/episuite.htm
• Metodi di Contributo di Gruppo : Sono stati condotti studi sulla relazione tra tossicità e struttura chimica per molti composti, per cui i contributi di gruppo sono decisamente affidabili..
owKbaEC ·loglog 50 +=
Attilio Citterio
Constante della Legge di Henry
suggerimento: H = 2479 / 10CD
P = H×C dividere per 101,325 Pa/atm
Composto H (25 ˚C), mol·kg-1· bar-1
H (25˚C), Pa·m3· mol-1
H (25˚C), atm·m3·mol-1
esano 0.00060 170,000 1.7
toluene 0.16 677 6.7 × 10-3
benzene 0.18 557 5.5 × 10-3
CH2Cl2 0.36 290 2.9 × 10-3
etil acetato 6.4 16 1.6 × 10-4
1-propanolo 140 0.73 7.2 × 10-6
etanolo 200 0.51 5.0 × 10-6
Calcolatore di conversione delle Unità per le costanti di Henry: http://www.mpch-mainz.mpg.de/~sander/res/henry-conv.html
Le constanti di Henry sono recuperate da CRC Handbook of Chemistry and Physics e dal sito della NIST:. http://webbook.nist.gov/chemistry/
Attilio Citterio
Modelli Multi-Compartimentali
aria
acqua
suolo sedimenti
ESEMPIO: Stimare i quattro fattori Z per il DDT, e quindi calcolare la concentrazione del DDT in ogni fase, Se 1 mole di DDT fosse rilasciata nell'ambiente, quale % di DDT andrebbe a finire in ogni fase? Assumere i seguenti dati: Koc = 2.04 × 105 m3/ton Vair = 1010 m3
Vsoil = 9 × 103 m3
H = 9.57 × 10-6 atm m3/mol Vacqua = 7 × 106 m3
Vsedimenti = 2 × 104 m3
Vedere anche: il file sulla LCA
1. Potenziale di Acidificazione 2. Potenziale di riduzione dell'Ozono 3. Potenziale di Formazione Smog 4. Potenziale di riscaldamento globale 5. Potenziale di tossicità umana (inalazione) 6. Potenziale di tossicità umana (ingestione) 7. Persistenza 8. Bioaccumulazione 9. Riduzione delle risorse
Attilio Citterio
Testi su Tossicità ed Eco-tossicità dei Prodotti Chimici
Endocrine Disruption: Theo Colborn, Dianne Dumanoski, John Peterson Myers Our Stolen
Future: Are We Threatening Our Fertility, Intelligence, and Survival?—A Scientific Detective Story,.
Toxicity and Eco-toxicity: Mark Cronin, Judith Madden, Steven Enoch, David Roberts Chemical
Toxicity Prediction; Category Formation and Read-Across 2013 SBN: 978-1-84973-384-7
W. Karcher, J. Devillers , Ph. Garrigues, J. Jacob Spectral Atlas of Polycyclic Aromatic Compounds: Including Information on Aquatic Toxicity, Occurrence and Biological Activity 2014, Springer-Verlag.
Ernest Hodgson Ed. A Textbook of Modern Toxicology, 4th Ed. 2010 Wiley Ed. ISBN: 978-0-470-46206-5.
SETAC, Toxicity Reduction and Toxicity Identification Evaluations for Effluents, Ambient Waters, and Other Aqueous Media, Volume 1 (2005).
Joe Thornton, Pandora’s Poison: Chlorine, Health, and a New Environmental Strategy, MIT Press, Cambridge, 2000.