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.