Chemical Engineering - Tecnica della Sicurezza e Igiene Industriale A+B

24 tox organo - 6 - sistema nervoso

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1 Tossicologia del Sistema Nervoso  Esposizioni continue a neurotossici noti Disordini neurologici (a volte epidemie) In ambiente sono presenti numerose sostanze… Quali i potenziali effetti neurotossici? Quale incidenza a esposizioni croniche a basse dosi? Quali possono influenzare altre malattie neurologiche? Molte delle conoscenze sul funzionamento del sistema nervoso sono basate su osservazioni derivate dallo studio del meccanismo d’azione di sostanze neurotossiche: es 1. Definizione recettori specifici a livello cerebrale 2. Comprensione ruolo svolto da diversi tipi di cellule (selettività) 3. Differenze nelle richieste metaboliche di sottopopolazioni di cellule ANATOMIA FISIOLOGIA SVILUPPO E CAPACITA’ DI RIGENERAZIONE 1) BARRIERA EMATO-ENCEFALICA (BEE) 2) FABBISOGNO ENERGETICO 3) ESTENSIONE NELLO SPAZIO 4) MANTENIMENTO DI AMBIENTE RICCO DI LIPIDI 5) TRASMISSIONE DEL SEGNALE (SPAZIO EXTRA CELLULARE) PER COMPRENDERE IL MECCANISMO DEI NEUROTOSSICI… Metabolismo specializzato = particolare vulnerabilità a tossici 2 1. BARRIERA EMATO-ENCEFALICA Ehrlich (1885): encefalo e midollo non assorbivano colorante quindi limitatamente accessibili all’ingresso di molecole (selettività simile a quella tra cellule e spazio extracellulare) Struttura primariaCELLULE ENDOTELIALI (nei capillari del SNC) “Thight Junctions” (+ spazi intercell 4nm) LIPOSOLUBILITA’INTERCONNESSIONE CON CELLULE GLIALI Eccezioni: 1) Organi Circumventricolari (es gangli spinali autonomi) EXP: ingresso di Doxorubicina (antitumorale) effetto neurotossico per i gangli) 2) Neonati prematuri (bilirubina non-conuigata) MENINGI= membrana di cellule specializzate per encefalo e midollo spinale CELLULE PERINEURALI= membrana di cellule specializzate nervi periferici Struttura secondaria 2. FABBISOGNO ENERGETICO NEURONI (e MIOCITI) Metabolismo prevalentemente aerobico [glicolisi aerobica] Elevata richiesta energetica per mantenere gradienti ionici Depolarizzazioni e ripolarizzazioni membrana molto rapide = produzione di fosfati ad alta energia anche a riposo Dipendenza energia e assenza di riserve = estremamente sensibile a brevi interruzioni di ossigeno o glucosio Esposizione sistemica a tossici inibenti catena respiratoria (ipossia) Azione diretta della sostanza tossica Danno secondario (ipossia o ischemia) 3 3-Nitropropionico(micotossina naturale) Inibitore irreversibile del succinato deidrogenasi e causa deplezione ATP; provoca disordini motori in bestiame e nell’uomo in seguito a ingestione EXP: in espianti di corteccia causa degenerazione neuronale per effetti eccitotossici Cianuro Sopravvissuti a intossicazione sviluppano danni tipici da ipossi a generalizzata o danno ischemico EXP: in animali si è concluso che è ipoperfusione la causa del danno e non diretta tossicità sul SNC CO Danneggia le strutture SNC più sensibili a ipossia general izzata: gangli e base dell’ippocampo/strati intermedi corteccia cereberale/cellule di Purkinje nel cervelletto EXP: nell’intossicazione acuta si riscontra anche azione tossica diretta su sostanza bianca (leucoencefalopatia) COMPLESSA INTERDIPEDENZA TRA TOSSICITA’SISTEMIC A E NEURO-TOSSICITA’ DIRETTA 3. ESTENSIONE NELLO SPAZIO (COMUNICAZIONE) Sistema Nervoso Risolve il problema della separazione fisica tra le cellule e tra ambiente esterno e interno: permette di raccogliere e inviare su lunghe distanze informazioni per fornire risposte precise e coordinate Sistema Circolatorio Ormoni (lento/diffuso) Caratteristiche Dimensioni: fino a 200.000 volte dimensioni altre cellule Volume: elevato (ma non in proporzione dimensioni) Geometria: cellule allungate (fino a 50cm) Metabolismo: meccanismi di produzione specifici (sostanza di Nissl = complessi ribosomiali per sintesi proteine) Meccanismi di trasporto materiale intracellulare (“streaming assonale”) Trasporto assonale veloce Proteine associate a vescicole (400mm/giorno) + organelliall’interno dell’assone (50mm/giorno) ATP-dipendente + microtubulo (binari) = motori Kinesina = direzione anterograda Dineina = direzione retrograda Altre Componenti Componenti veloci I, II, III Componente lenta A (SCa) o V (neurofilamenti e microtuboli 1mm/giorno) Componente lenta B (SCb) o IV (200 proteine 2-4mm/giorno) 4 4. MANTENIMENTO DI AMBIENTE RICCO DI LIPIDI MIELINA Prodotta da oligodendrociti SNC e da cellule di Schwann nel SNP (apparato metabolico tipico del Sistema Nervoso) Proteine base molto simili tra i due sistemi Vengono formano strati concentrici medianti continuo avvolgimento in anse attraverso processi citoplasmatici intorno all’assone con espulsone acqua e ioni (doppio strato): lo spazio extracellulare viene eliminato da superficie extracellulare del doppio strato di membrana e le membrane si uniscono rimanendo separate solo da linea di proteine situate tra due strati successivi Sulla superficie del doppio strato fosfolipidico del SNC è presente una proteina proteolipidica le cui mutazioni non rende funzionale la mielina (anche ereditari) 5. TRASMISSIONE DEL SEGNALE Comunicazioni intercellulari = sinapsi [Bersaglio di tanti farmaci (neurofarmacologia)] ESEMPIO: Trasmissione neuromuscolare Acetilcolina attraversa lo spazio inter-sinaptico per legarsi al recettore colinergico del miocita e causare contrazione 5 SVILUPPO E CAPACITA’ DI RIGENERAZIONE Replicazione Migrazione Differenziazione Mielinizzazione Formazione sinapsi (processo dinamico continua tutta la vita) MANIFESTAZIONI FUNZIONALI DELLA NEUROTOSSICITA’ Metodi comportamentali “Batterie Osservazionali Funzionali” (studi longitudinali) 1°livello attività motoria per identificare neurotossico 2°livello caratterizzazione effetti sistema sensorio, motorio, autonomo, cognitivo SN bambino ≠SN adulto 1. NEURONOPATIA Danno a livello del corpo cellulare = neurone degenera con appendici (irreversibile) 2. ASSONOPATIA Danno a livello dell’assone = neurone continua a vivere (cromatolisi) 3. MIELINOPATIA Danno a livello della mielina 4. TOSSICITA’ DELLA NEUROTRASMISSIONETIPI DI TOSSICITA’ DEL SISTEMA NERVOSO MODELLI DI LESIONI NEUROTOSSICHE 6 1. NEURONOPATIE Numerose classi di sostanze neurotossiche tutte con un meccanismo simile Azione diffusa ma specifica su neuroni o gruppi di neuroni (Encefalopatia diffusa ma anche blocco di una sola funzione es visiva) Perdita neurone = irreversibile (degenerazione di tutte le estensioni) DOXORUBICINA(Adriamicina) Derivato antibiotico dell’antraciclina: antineoplastico per interferenza con trascrizione DNA Principalmente tossica a livello cardiaco ma anche azione su gangli radice dorsale e del sistema autonomo Azione legata alla mancanza di protezione barriera emato-encefalica EXP: test con mannitolo (apre BEE) effetto molto più tossico ed esteso anche alla corteccia e nuclei subcorticali cervello METILMERCURIO Giappone = baia Minamata Iraq = 400 morti e 6000 ricoveri per grano trattato con metilmercurio (pesticida) Effetti Encefalopatia diffusa ma alcuni centri risultano maggiormente colpiti Adulti = neuroni corteccia visiva e granulare interno corteccia cerebellare Bambini = perdita neuronale diffusa (specie per esposizioni in gravidanza) Non sembrano legati a % diffusione mercurio ma a neuroni più vulnerabili Ancora dubbi se tossicità legata al (CH3)2Hg o Hg2+ Hg2+ si lega strettamente a sulfidrilici ma non ancora dimostrato che sia questo meccanismo di morte cellulare Riduzione della glicolisi/biosintesi acidi nucleici/respirazione aerobica/sintesi proteica e rilascio neurotrasmettitori TRIMETILSTAGNO Composti organo stannici usati come additivi plastiche e funghicidi Effetti Sindrome limbico-cerebellare irreversibile e danno neuronale diffuso I neuroni accumulano corpi citoplasmatici (strutture tipo Golgi) a cui segue rigonfiamento e necrosi. Colpito specialmente ippocampo Intossicazione acuta: Degenerazione cellule fascia dentata Intossicazione cronica: Degenerazione cellule corpo di Ammone Meccanismo non ancora definito = carenza energetica e danno eccitotossico 7 IDROSSIDOPAMINA E CATECOLAMINE La progressiva perdita di neuroni catecolaminergici che avviene con l’età deriva da effetto indotto da ossidazione catecolamine e prodotti riduzione parziale dell’O2 Dopamina = citotossica sia per autoosidazione che per reattività ortochinone 6-idrossidopamina = non attraversa BEE ma agisce sulle terminazioni; trasportata attivamente da neuroni simpatici (uptake catacolamine) distruzione selettiva innervazione simpatica EXP: Se iniettata nel nucleo caudato (ricco di sinapsi dopaminergiche) = degenerazione neurite Se iniettata nella substanzia nigra = induce distruzione corpi cellulari dei neuroni dopaminergici OSSIDAZIONE CATECOLAMINE E SPECIE DI OSSIGENO ATTIVATE MPTP (1-metil-4-fenil-1,2,3,6-tetraidropiridina) Sintetizzato nella sintesi di un derivato della meperina(eroina sintetica) Riflette stessa sintomatologia del Morbo di Parkinson (danno al sistema nigro- striale) non ha cariche a pH fisiologico attraversa BEE diffonde anche in astiociti La monoamminoossidasi (MAO) catalizza ossidazione a MPDP+ che poi diventa MPP+ che penetra nei neuroni dopaminergici della substazianigra mediante sistema di captazione dopamina determinando tossicità mitocondriale attraverso inibizione del complesso I EXP: somministrazione MPP+ nessuna neurotossicità (non attraversa BEE) individui esposti a basse dosi sviluppano anni dopo precocemente malattia 8 2. ASSONOPATIE (“DYING BACK NEUROPATHY”) Il composto tossico determina una sorta di resezione chimica dell’assone che separato dal corpo cellulare degenera Dimostrato che assoni più lungi più facili bersagli = assonopatie distali centro– periferiche Vulnerabiltà assone legata alla velocità di trasporto e “smaltimento” (tossico o del neurofilamento) Intossicazioni prolungate = rigonfiamenti più prossimali e degenerazione dell’assone distale SNC rigonfiamenti con neurofilamenti ma degenerazione meno frequente Degenerazione assonale SNP può rigenerare al contrario di SNC γ-DICHETONI Alla fine anni ’60 = assonopatia distale senso-motoria per esposizione dei lavoratori • N-esano in collanti industria calzaturiera (via inalatoria) • N-butilchetone in industria tessuti stampati Ossidazione degli alcani in posizione ω-1 produce composto γ-dichetonico [2,5- esandione]; neurofilamento costituito da proteine molto stabili che fanno da bersaglio EXP: altri precursori di 2,5-esandione risultano neurotossici αo β-dichetoni non riusultano neurotossici Gli γ-dichetoni reagiscono con gruppi amminici dei tessuti a dare pirroli e sembra essere questi elemento cardine del meccanismo Intossicazione prolungata = rigonfiamenti in posizione più prossimale EXP: 3,3-dimetil-2,5esandione non può formare pirrolo non è neurotossico i diasteroisomeri che formano pirroli più agevolmente sono più neutossici 3-acetil-2,5esandione sia in vivo che in vitro rapida formazione di pirroli ma acetile (eletron-.attrattore) rende pirroli inerti e il composto non neurotossico 9 MECCANISMI MOLECOLARI DI LEGAMI CROCIATI TRA PROTEINE NELLE NEUROPATIE NEUROFILAMENTOSE Reversibile Irreversibile CS2 (DISOLFURO DI CARBONIO) Industrie produttrici gomma vulcanica / Ryon / viscosa Effetti Assonopatia distale patologicamente identica a quella di esano: legame crociato covalente dei neurofilamenti Azione molto più veloce rispetto a esano: non deve essere metabolizzato Reagisce con gruppi amminici proteine a formare Ditiocarbammato che con i residui di lisina sono trasformati in isotiocianati (elettrofili) IsotiocianatiLegami con esteri del N,S-dialchilditiocarbammato (revesibile) Legami con gruppi aminici proteici porta formazione tiourea (irrevesibile) NB Legami crociati con la spettrina eritrocitaria potrebbero rappresentare un ottimo indicatore della dose assorbita IDPN (β β-Iminodipropionitile) Sindrome da walzer: degenerazione cellule ciliate vestibolari Effetti Assonopatia distale identica a quella di esano e CS2: legame crociato covalente dei neurofilamenti Ingrossamenti dei neurofilamenti su assone prossimale (no distale): gruppi nitrilici possono subire attivazione in grdo di produrre legami crociati EXP: rigonfiamenti no nelle quaglie (non hanno neurofilamenti) in animali processo di atrofia ma non degenerazione (reversibile?) ACRILAMIDE Monomero di vinile usato in industria carta, trattamento acque, stabilizzazione suolo, impermeabilizzante, processi di polimerizzazione Effetti Assonopatia distale a partire da terminali nervosi, alterazioni corpuscoli di Pacini, fusi muscolari, terminazioni nervose (diminuzione vescicole sinaptiche e mitocondri) 10 ESTERI ORGANO FOSFORICI Pesticidi, additivi plastica, e prodotti petroliferi Tri-orto cresil fosfato (TOCP) = contaminazione di una bevanda popolare in USA = contaminazione olio di oliva in Marocco Effetti Inibiscono l’aceticolinesterasi e determinano iperstimolazione colinergica anche se TOCP può causare severa assonopatia distale centro-periferica senza indurre sindrome colinergica Composti idrofobici: Alchilano o fosforilano macromolecole (neurotossicità) Tossicità ritardata rispetto esposizione (7-10gg dopo intossicazione acuta) Non tutti quelli che inibiscono acetilcolinesterasi causano tossicità ritardata Esistono alcuni che hanno come bersaglio l’attività di esterasi (NTE) Lesioni assonali SNP reversibili mentre midollo spinale progressive DIAGRAMMA DELLE ASSONOPATIE PIRIDINETIONE Antibatterico e funghicida (shampoo) ma assorbimento cutaneo minimo Nessun caso di intossicazione nell’uomo NEUROTOSSICITA’ ASSOCIAT A A MICROTUBULI Ruolo microtubuli nel trasporto non ancora chiarito; modificazioni al loro funzionamento provocano assonopatia e neuronopatia periferica Inibitori attività mitotica microtubuli Stabilizza forma polimerizzata microtubuli Tassolo (antitumorale) Vincristina (alcaloide trattamento leucemie) Colchicina (trattamento gotta) Atrofizzazione assone e diminuzione microtubuli interno Microtuboli presenti in elevate quantità e associati in strutture 11 3. MIELINOPATIE Mielina consente isolamento elettrico dei neuroni e le sue alterazioni riducono velocità di conduzione segnale (trasmissione efaptica) Conseguenze funzionali dipendono dal grado e localizzazione e vanno da deficit neurologico globale a neuropatia periferica Sostanze tossiche separazione tra lamelle mielina (edema intramielinico) a causa di alterazioni livelli RNA messaggero della proteina basica della mielina (reversibili in fasi iniziali) perdita di mielina (demielinizazzione) SNP = può verificarsi rimielinizzazione degli internodi (cellule Schwann) SNC = solo parziale ESACLOROFENE Composto idrofobico usato per la prevenzione di infezioni da staffilococco ha neurotossicità causato in bambini specie prematuri. edema intramielinico (si lega a membrane cellulari causa perdita gradiente ionico) Effetti Disaccoppiamento della fosforilazione ossidativa mitocondriale Aumento volume cerebrale (aqua e ioni) Degenerazione assonale fotorecettori della retina Astenia generalizzata, confusione e convulsioni, coma e morte TELLURIO Non sono state riportate intossicazioni nell’uomo. In ratti porta a sviluppo neuropatia periferica con alterazioni sintesi lipidiche contenuti nella mielina delle cellule di Schwann (soprattutto colesterolo e cerebrosidi) e soprattutto quelle che devono coprire intervalli di mielinizzazione più lunghi. Effetti reversibile e rimielinizzazione Interferisce con normale conversione squalene a colesterolo SNC sembra protetto da azione tossico PIOMBO Tossicità nota da secoli (fusione metalli, tubature piombo, liquori contrabbando) In aree geografiche specifiche popolazione maggiormente esposta Bambini sotto 5 anni conc ematiche superiori dovute al fatto che portano oggetti in bocca (indigestioni di frammenti di vernice contenti tossico) Intossicazioni acute Bambini = edema cerebrale severo (danno cellule endoteliali) Adulti = solo alte dosi Intossicazioni croniche Bambini = accumulo in gengive e in epifisi. Dimostrate correlazioni tra scarso rendimento scolastico (attitudini verbali di attenzione e comortamnto) e conc Pb nel sangue (o denti) in bambini Adulti = neuropatia periferica + altri sintomi (gastrite, coliche, anemia) EXP: Riduzione velocità conduzione nervosa tipo demielinizzazione segmentale (come in animali sperimentali) in realtà determina assonopatia. Centri motori maggiormente colpiti 12 4. TOSSICITA’ DELLA NEUROTRASMISSIONE In alcuni casi una disfunzione del sistema nervoso non manifesta alterazioni delle struture cellulari ma si evidenzia con modificazioni comportamentali (test neurologici) Neurofarmacologia……………………………….Neurotossicologia Effetti: Interruzione trasmissione impulsi Blocco o incremento comunicazione transinaptica Interferenza sistema secondi messaggeri In genere effetti (e tossicità) a breve termine correlati alla presenza composto nel sito attivo (che può essere proporzionale a concentrazione nel sangue) e compensabili con antagonista opportuno. “Simpaticomimetici”= bersagli diffusi in tutto il corpo (non localizzati) Effetti acuti ma tossicità associata a lunghe esposizioni irreversibile? (vale anche per farmaci) Es. Fenotiazine usate per schizofrenia per lunghi periodi provocano discinestesia tardiva (deformazione facciale) NICOTINA Tabacco, pesticidi… Effetti: Si lega nei gangli (e giunzioni neuromuscolari del SNC dove risiedono proprietà psicoattive di dipendenza) a recettori nicotinici (sottoclasse colinergici) fino a paralisi Aumento frequenza cardiaca e pressione sanguigna seguita da bradicardia e ipotensione (sonnolenza e confusione coma per gravi esposizioni acute) Vasocostrittore a livello cutaneo Alterazioni del tracciato EEG (rilassamento) [effetti bloccati da mecamilamina] Esposizioni croniche : non semplice definire effetti e danni disgiunti dal fumo di sigaretta (iperaggregabilità piastrinica, ischemia miocardio, inibisce apoptsi e sviluppa tumori) Deficit di attenzione in bambini figli di fumatrici EXP: Effetti bloccati da recettori α- e β-adrenergici risulta che stimolazione della nicotina sui gangli simpatici COCAINA Effetti: … Penetra BEE provocando effetti sul SNC (euforia e assuefazione) Blocca riassorbImento catecolamine nelle terminazioni nervose Nell’uomo aumento della pressione arteriosa ma diminuzione flusso all’utero (grave ipossia) 13 GLUTAMMATO (AMINOACIDI ECCITATORI) Glutammato (e altri amminoacidi) funzionano da neuro-trasmettitori a livello del SNC Glutammato = ingresso regolato da BEE (azione maggiore dove meno sviluppata) effetti che possono essere mediati da diversi tipi di recettori Recettori: a) Legati direttamente a canale ionico (IONOTROPICI) b) Suddivisi in capacità di legare: Acido cainico (alga giapponese per cura ascaridiasi) effettox100 Quisquilato Acido α-amino-3-idrossi-5-metilisossiazol-4-propionico (AMPA) N-metil-D-aspartato (NMDA) c) Accoppiati a proteine G (METABOTROPICI) Effetti Apertura di canali ionici glutammato dipendenti --- aumento volume cellulare neuroni - -- morte (dendriti e neuroni risparmia assoni) Nell’uomo = “sindrome da ristorante cinese” = sensazione di bruciore faccia collo petto α-AMINO-βMETILAMINOPROPIONICO (BMAA) Presente nei semi Cycas circinalis Effetti Sclerosi amiotrofica laterale-Parkinson demenza (ALS/PD) che si sviluppò nella popolazione Chamorro dell’isola di Guam degli anni ‘40/50 Meccanismo discusso: si ipotizza fattore ambientale (metalli?) Incidenza diminuita negli anni Manifestata anche in immigrati che prendevano stile di vita indigeno Fonte di cibo durante la guerra: manifestazione ritardata nel tempo Non chiara correlazione eziologica con sindrome EXP In vitro effetti simili in a glutammato ed inibiti da antagonisti CAINATO Analogo ciclico Ritrovato in alga per la cura ascaridiasi Potente tossina eccitatoria (tossicità x 100) Utilizzato in studi neurotossicologia (azione selettiva su corp o neuroni) “…infine i quesiti irrisolti..servono a ricordare allo studente di neurotossicologia che le cause di molte malattie neurologiche rimangono sconosciute…” GRAZIE PER LA PAZIENZA!