TOSSICITA’ DELLE MISCELE
Gli organismi viventi acquatici o terrestri sono raramente
esposti ad una singola sostanza.
Al contrario, la tipica situazione che si ritrova nell’ ambiente è la presenza
contemporanea di una moltitudine di sostanze eterogenee potenzialmente
tossiche, che agendo simultaneamente sulle popolazioni naturali possono creare
un danno a livello di singolo individuo, di comunità o di ecosistema.
Ho l’impressione di
non sentirmi tanto
bene
TOSSICITA’ DELLE MISCELE
I saggi di tossicità su singoli organismi, generalmente, sono effettuati per singole
sostanze.
Obiettivo: calcolo di un endpoint tossicologico (LD50, PNEC etc)
Ma come valutare gli effetti tossici di una miscela?
Base di partenza: l’esposizione a miscele nell’ambiente sarà il risultato
dell’integrazione di differenti partizioni ambientali, e processi degradativi di singole
sostanze emesse nell’ambiente.
DEFINIZIONE ED ORIGINE DI UNA MISCELA
Una miscela può essere definita come qualsiasi combinazione di due o più sostanze
chimiche che indipendentemente dalla loro origine spaziale o temporale possono
influenzare il livello di rischio a cui è soggetta una popolazione (EPA, 1986)
MISCELE DA SCARICHI URBANI (farmaci, sostanza organica, etc. principalmente
in H20)
MISCELE DA SCARICHI INDUSTRIALI (es. industria petrolifera, emissione di
by products principalmente in H20 e aria)
MISCELE DA DISCARICHE E INCENERITORI (aria, suolo)
MISCELE DI ORIGINE AGRICOLA (aria e suolo)
In alcuni casi miscele, di composti chimici a diversa concentrazione, sono prodotte
durante un particolare processo, oppure sono intenzionalmente utilizzate e rilasciate
nell’ambiente (PCBs).
Molto più frequente è il caso di miscele derivanti da composti non correlati tra di
loro dal punto di vista commerciale
LE QUATTRO POSSIBILI AZIONI DI UNA MISCELA
Meccanismo
d’azione simile
Meccanismo
d’azione diverso
Nessuna interazione
A. Semplice
(additività)
B. Indipendente
Interazione
C. Complesso
(sinergia o
antagonismo)
D. Dipendente
(sinergia o
antagonismo)
Interazione = una sostanza influenza l’attività biologica delle altre
Meccanismo d’azione simile = stesso sito primario nell’espletarsi dell’azione
tossica
Sinergia = l’effetto tossico della miscela è maggiore della somma degli effetti
che si avrebbe considerando le singole sostanze (difficile da prevedere)
Antagonismo = la tossicità osservata della miscela è minore della somma degli
effetti che si avrebbe considerando le singole sostanze (difficile da prevedere)
Isobologramma: descrive tutte le possibili risposte tossicologiche
ad una miscela binaria di composti chimici
METODO EIFAC
y
TU (B)
xTUA +yTUB = 1TU(AB)
TUi = Ci/ECi
x,y = frazioni di A e B
che producono 1 TU
Potenza di una miscela
1 risposta additiva: x+y=1
2 meno che additiva: x +y>1 (x e y <1)
3 antagonismo
:
x+y>1 (x o y >1)
4 sinergismo:
x+y<1
3
2
1
4
TU (A)
x
Le quattro linee rappresentano tutti punti dove la risposta tossicologica alla
miscela è pari a 1 TU
SINERGISMO
Nel caso degli insetticidi è sempre stato considerato il caso in cui il sinergizzante è
inattivo alla dose impiegata, mentre la miscela è sensibilmente più attiva dell’altra
sostanza quando usata da sola
Importanza pratica del sinergismo per gli aspetti agricoli:
a) Più efficienza nel controllo degli insetti (Synergistic ratio)
b) Incremento dello spettro di attività di un insetticida (es. pidocchi e mosche col
carbaryl + piperonil butossido)
c) evitare fenomeni di resistenza
Il sinergismo può dipendere da:
a) Stabilizzazione della taglia delle goccioline di aerosol
b) Incremento della penetrazione negli insetti
c) Formazione di complessi sinergizzante-principio attivo
d) Interferenza del sinergizzante nella detossificazione metabolica del principio
attivo (Es.piperonil butossido e piretroidi: inibizione del sistema citocromo P450)
ANTAGONISMO
Come per il sinergismo l’antagonismo è di difficile previsione
Esso può avvenire:
All’esterno dell’organismo (assorbimento e biodisponibilità).
Infatti, i solidi sospesi, ed il loro contenuto di c.o., o il pH possono diminuire la
tossicità di una sostanza semplicemente riducendone l’esposizione o modificando il
livello ad esempio di “speciazione”
All’interno dell’organismo:
A. funzionale: due sostanze sollecitano due effetti fisiologici diversi
(bilanciamento)
A. chimico: due tossici reagiscono a formare un prodotto meno tossico (es. cianuro e
metalli)
A. di destino: riguarda le fasi di assorbimento, di movimento, di deposizione sul
sito bersaglio e di escrezione (es. etanolo aumenta l’eliminazione del mercurio
nei mammiferi
A. di competizione: due sostanze competono per lo stesso recettore ed una
impedisce l’espressione della tossicità dell’altra
VALUTAZIONE DELLA TOSSICITA’ DI UNA MISCELA
IL MODELLO DI ADDITIVITA’ DI APPLICABILE A SOSTANZE CON
LÖEWE
UGUALE MECCANISMO DI AZIONE
TOSSICOLOGICA CHE ESPLICANO LO
(addizione di concentrazione)
STESSO EFFETTO E POSSONO ESSERE
CA
CB
CONSIDERATE NEI RIGUARDI DEL
+
ECX, A ECX, B
SITO
RECETTORE
COME
UNA
SOSTANZA SINGOLA
Dove:
CA
CB
Concentrazioni o dosi di due sostanze A e B in una miscela che produce una
risposta X ad un determinato effetto (es.il 50% di mortalità)
ECX, A ECX, B
Concentrazioni di ciascuna delle due sostanze considerate singolarmente
che producono la stessa risposta (es.EC50)
n
i=1
Ci
ECx, i
=1
VALUTAZIONE DELLA TOSSICITA’ DI UNA MISCELA
IL MODELLO DI INDIPENDENZA DI APPLICABILE A SOSTANZE CON
DIVERSO MECCANISMO DI AZIONE
AZIONE (BLISS)
TOSSICOLOGICA
(combinazione di risposte)
fAB = fA + fB - fAfB
f = frazione della totale possibile risposta relativamente ad un certo effetto esplicate
rispettivamente da una certa combinazione di due sostanze (A e B) e dalla loro
combinazione)
Es: se [A] produce 30%
(fA = 0.3) e
[B] produce 50%
(fA = 0.5)
allora
fA,fB = 0.15
(fAB = 0.65)
più recentemente:
University of Bremen: coordinatore progetto BEAM e saggi algali su miscele
UFZ of Leipzig: saggi algali su miscele, analisi matematico-statistiche
University of Goteborg: saggi su comunità
University of Insubria: studi QSAR
University of Milano Bicocca: definizione degli scenari di esposizione per l’identificazione di una
lista di miscele “prioritarie” attraverso approcci modellistici applicati a diverse tipologie di inquinanti
(agricole, urbane, industriali)
100
B
% Inhibition
80
60
40
33 controls
20
0
cmix = Σ EC1i
0
0.001
0.01
0.1
Total Concentration (µmol/L)
Observed and predicted algal toxicity of mixtures of 18 s-triazines.
Components mixed in the ratio of their individual EC1 values.
(••) experimentally observed toxicity; (ο
ο) controls;
(-----) prediction according to Concentration Addition;
(——) prediction according to Independent Action
1
100
B
Effects of the individual mixture components
Effect of
the mixture
% Inhibition
80
60
47.1
43.7
40
20
16.6
1.0
0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
n e
n n
n e e
n
n
n
n
n
n n e
n e
ry ato zin zin try try try ryn eto try azi zin eto zine try eto zin try
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e
m
i
S
M
T
D
s
ob
d
ve
r
e
CA IA
predicted
Comparison of the total effects of s-triazine mixtures with the single effects of all 18
mixture components.
Concentrations of individual mixture components equal individual EC1 values.
CA, IA - predictions of the total effect according to Concentration Addition and
Independent Action, respectively.
100
B
% Inhibition
80
60
40
20
36 controls
0
cm ix = Σ EC1i
0
1
10
1 00
Total Concentration (µm ol/L)
Observed and predicted algal toxicity of mixtures of 16 structurally and
toxicologically different components mixed in the ratio of their individual
EC1 values.
(••) experimentally observed toxicity; (ο
ο) controls;
(-----) prediction according to Concentration Addition;
(——) prediction according to Independent Action
100
B
Effects of the individual mixture components
Effect of
the mixture
% Inhibition
80
75.0
60
40
18.4
20
0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
14.9
1.0
r
e ol
e
e
e
d
n
n
P
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8lo
u
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h
r
s
a
C
r
K
et
M
Pa
IA CA
predicted
Comparison of the total effects of mixture of heterogeneous chemicals with the
single effects of all 16 components.
Concentrations of individual mixture components equal individual EC1 values.
CA, IA - predictions of the total effect according to Concentration Addition and
Independent Action, respectively.
Two Stage Calculation
Stage 2
Stage 1
S1
CA S2
Receptor 1
Sn
S1
CA S2
Receptor 2
Sn
S1
CA S2
IA
Receptor 3
Sn
S1
CA S2
Sn
Receptor 4
Growth
inhibition
Results of two stage prediction