Xenotoxicidade

A xenotoxicidade (/ʃeno/) é a propiedade que teñen algúns axentes químicos de causar danos na información xenética dunha célula orixinando mutacións, que poden producir un cancro. Aínda que a xenotoxicidade a miúdo se confunde con mutaxenicidade, hai que ter presente que todos os mutáxenos son xenotóxicos, pero algunhas substancias xenotóxicas non son mutaxénicas. A alteración pode ter efectos directos ou indirectos sobre o ADN: indución de mutacións, activación de eventos en momentos inapropiados e danos directos ao ADN que producen mutacións. Os cambios permanentes herdables poden afectar ás células somáticas do organismo ou ás células xerminais e pasar neste segundo caso a futuras xeracións. As células impiden a expresión de mutacións xenotóxicas por medio da reparación do ADN ou a apoptose (morte celular); porén, os danos non sempre poden ser reparados, o que leva á mutaxénese.
Para faceren bioensaios de moléculas xenotóxicas, os investigadores comproban os danos no ADN en células expostas a substratos tóxicos. Estes danos no ADN poden ser roturas de dobre febra ou de febra simple, perda da reparación por escisión, enlaces cruzados, sitios lábiles aos álcalis, mutacións puntuais e aberracións cromosómicas estruturais e numéricas. A alteración da integridade do material xenético pode ser causa de cancros. Como consecuencia, desenvolvéronse moitas técnicas sofisticadas, como o test de Ames, test toxicolóxicos in vitro e in vivo, e ensaios Comet para avaliar o potencial que teñen os distintos compostos químicos de causar danos no ADN que poden conducir ao cancro. Mecanismo
As substancias xenotóxicas inducen danos no material xenético nas células por medio de interaccións coa secuencia e estrutura do ADN. Por exemplo, o metal de transición cromo interacciona co ADN no seu estado de oxidación de alta valencia, incorrendo en lesións de ADN que producen carcinoxénese. Chégase ao estado de oxidación metaestable Cr(V) pola activación redutiva. Realizáronse experimentos para estudar a interacción entre o ADN e o cromo carcinoxénico usando o complexo Cr(V)-Salen no estado de oxidación específico. A interacción afecta espeificamente ao nucleótido guanina (G) na secuencia xenética. Para facilitar a interacción entre o complexo Cr(V)-Salen coa base guanina, os investigadores modificaron as bases a 8-oxo-G para así ter un sitio específico de oxidación. A reacción entre as dúas moléculas causou lesións no ADN; as dúas lesións observadas no sitio da base modificada eran a guanidinohidantoína e a espiroiminodihidantoína. Para realizar unha maior análise da lesión, observouse que a polimerase paraba no sitio e a adenina era incorporada incorrectamente na secuencia de ADN no sitio oposto á base 8-oxo-G. Por tanto, estas lesións conteñen predominantemente transversións G→T. O cromo de alta valencia actúa como un carcinóxeno, xa que se atopou que "o mecanismo de danos e produtos da oxidación de bases para a interacción entre o cromo de alta valencia e o ADN. .. son relevantes para a formación in vivo de danos no ADN que orixinan cancro en poboacións humanas expostas ao cromato". En consecuencia, isto mostra como o cromo de alta valencia pode actuar como carcinóxeno con xenobióticos que forman 8-oxo-G.
Outro exemplo de substancias xenotóxicas que causan danos no ADN son os alcaloides de pirrolizidina (PAs). Estas substancias atópanse principalmente en especies de plantas e son velenosas para os animais, incluído os humanos; aproximadamente a metade deles foron identificados como xenotóxicos e moitos como tumorixénicos. Os investigadores concluíron a partir dos tests realizados que cando son activados metabolicamente, os "PAs producen adutos do ADN, enlaces cruzados no ADN, roturas nas febras de ADN, intercambio de cromátides irmás, micronúcleos, aberracións cromosómicas, mutacións xénicas e mutacións cromosómicas in vivo e in vitro. " As mutacións máis comúns nos xenes son transversións G: C → T: A e substitucións de bases en tándem. Os alcaloides de pirrolizidina son mutaxénicos in vivo e in vitro e, polo tanto, responsables da carcinoxénese fundamentalmente no fígado. A planta boraxinácea consolda é un exemplo dunha especie de planta que contén catorce PAs diferentes. Os metabolitos activos interaccionan co ADN causando danos no ADN, inducen a mutación e o desenvolvemento do cancro en células endoteliais do fígado e nos hepatocitos. Descubriuse ao final que a "consolda é mutaxénica no fígado, e os PAs contidos na consolda parecen ser resonsables da toxicidade inducida pola consolda e a indución de tumores, ". Técnicas para realizar tests
O propósito dos tests de xenotoxicidade é determinar se un substrato influirá no material xenético ou pode causar cancro. Poden realizarse con bacterias, lévedos e células de mamífero. Co coñecemento obtido nos tests, pode controlarse o desenvolvemento temperán de organismos vulnerables a substancias xenotóxicas.
Ensaio de mutación inversa bacteriano
O ensaio de mutación inversa bacteriano, tamén coñecido como test de Ames, utilízase en laboratorios para facer tests para as mutacións xénicas. A técnica usa moitas cepas bacterianas para comparar os diferentes cambios orixinados no material xenético. O resultado do test detecta a maioría dos carcinóxenos xenotóxicos e cambios xenéticos; os tipos de mutacións detectados son mutacións por desprazamento do marco de lectura e a substitucións de bases. Test toxicolóxicos in vitro
O propósito dos test in vitro é determinar se un substrato, produto, ou factor ambiental induce danos xenéticos. Unha técnica utiliza ensaios citoxenéticos en diferentes células de mamíferos. Os tipos de aberracións detectadas nas células afectadas por unha substancia xenotóxica son ocos en cromosomas e cromátides, roturas cromosómicas, delecións de cromátides, fragmentacións, translocacións, e rearranxos complexos, entre outras. Os efectos clastoxénicos ou aneuxénicos debidos a danos xenotóxicos causan un incremento da frecuencia de aberracións estruturais e numéricas do material xenético. Isto é similar ao test de micronúcleos e ao ensaio de aberracións cromosómicas, que detectan aberracións cromosómicas estruturais e numéricas en células de mamífero.
Nun tecido de mamífero determinado, pódese realizar un ensaio de linfoma TK+/- de rato para testar os cambios no material xenético. As mutacións xénicas son normalmente mutacións puntuais que alteran só unha base da secuencia xenética, alterando o transcrito e a secuencia de aminoácidos; estas mutacións puntuais poden ser substitucións, delecións, cambio do marco de lectura e rearranxos. Ademais, a integridade dos cromosomas pode verse alterada pola perda de cromosomas e as lesións clastoxénicas que causan delecións multilocus e en múltiples xenes. O tipo específico de dano está determinado polo tamaño das colonias, distinguindo entre mutacións xenéticas (mutáxenos) e aberracións cromosómicas (clastóxenos).
O test do ensaio SOS/umu avalía a capacidade dunha substancia de inducir danos no ADN, baseándose en alteracións na indución da resposta SOS debida a danos no ADN. Os beneficios desta técnica son que é un método simple e rápido apropiado para numerosas substancias. Estas técnicas realízanse para analizar mostras de auga ou augas residuais atopadas no medio ambiente.
Tests in vivo
O obxectivo dos tests in vivo é determinar o potencial de danos no ADN que pode afectar a estrutura cromosómica ou alterar o aparato mitótico que causa cambios no número de cromosomas; os facrores que poderían influír na xenotoxicidade son a ADME (absorción, distribución, metabolismo e excreción) e a reparación do ADN. Pode tamén detectar axentes xenotóxicos que pasan desapercibidos en tests in vitro. O resultado positivo de danos cromosómicos inducidos é un incremento na frecuencia de PCEs (eritrocitos policromáticos) micronucleados. Un micronúcleo é unha pequena estrutura separada do núcleo que contén ADN nuclear orixinado de fragmentos de ADN ou de cromosomas completos que non foron incorporados á célula filla durante a mitose. As causas destas estruturas son a perda mitótica de fragmentos de cromosomas acéntricos (clastoxenicidade), problemas mecánicos debidos a roturas e intercambios nos cromosomas, perda mitótica de cromosomas (aneuxenicidade), e apoptose. O test de micronúcleos in vivo é similar ao in vitro porque comproba as aberracións comosómicas estruturais e numéricas en células de mamíferos, especialmente en células sanguíneas de ratas.
Ensaio Comet
Os ensaios Comet son uns dos tests máis comúns para a xenotoxicidade. A técnica implica lisar células usando deterxentes e sales. O ADN liberado da célula lisada é sometido a electroforese en xel de agarosa en condicións de pH neutro. As células que conteñen ADN cun número incrementado de roturas de dobre febra migrarán máis rapidamente ao ánodo. Esta técnica é vantaxosa porque detecta baixos niveis de danos no ADN, require soamente un número moi pequeno de células, é máis barata que moitas outras técnicas, doada de executar, e mostra rapidamente os resultados. Porén, non identifica o mecanismo que subxace no efecto xenotóxico ou o composto ou compoñente químico exacto causante das roturas. Cancro
Os efectos xenotóxicos como as delecións, roturas e rearranxos poden orixinar un cancro se os danos non ocasionan inmediatamente a morte celular. Rexións sensibles á rotura, chamadas sitios fráxiles, poden ser o resultado da acción de axentes xenotóxicos (como pesticidas). Algúns compostos químicos teñen a capacidade de inducir sitios fráxiles en rexións do cromosoma onde hai oncoxenes, o cal produce efectos carcinoxénicos. En consonancia con isto, a exposición laboral a algunhas mesturas de pesticidas está positivamente correlacionada cun incremento de danos xenotóxicos nas persoas expostas. Os danos no ADN non teñen unha gravidade uniforme nas poboacións porque varía a capacidade de cada individuo de activar ou detoxificar as substancias xenotóxicas, o cal orixina unha variabilidade na incidencia de cancro entre individuos. A diferenza en capacidade de detoxificar certos compostos débese aos polimorfismos herdados polos individuos de xenes que interveñen no metabolismo do composto químico. As diferenzas poden tamén atribuírse a variacións individuais en eficiencia dos mecanismos de reparacións do ADN.
O metabolismo dalgúns compostos químicos causa a produción de especies reactivas do oxíxeno, o que é un posible mecaniso de xenotoxicidade. Isto pode observarse no metabolismo do arsénico, que produce radicais hidroxilo, que se sabe son causantes de efectos xenotóxicos. De xeito similar, as especies reactivas do oxíxeno foron implicadas na xenotoxicidade causada por partículas e fibras. A xenotoxicidade de partículas fibrosas e non fibrosas caracterízase pola alta produción de especies reactivas do oxíxeno nas células inflamatorias.
Xenotoxinas implicadas nos catro tipos de cancro máis comúns no mundo
Identificáronse os principais axentes xenotóxicos responsables dos catro cancros máis comúns en todo o mundo: de pulmón, mama, colon e estómago.
O cancro de pulmón é o cancro máis frecuente no mundo, tanto en casos anuais (1, 61 millóns de casos; 12, 7 % de todos os casos de cancro) coma en falecementos (1, 38 millóns de mortes; 18, 2 % de todas as mortes por cancro). O fume do tabaco é a principal causa de cancro pulmonar. Por exemplo, o risco estimado para este cancro indica que o fume do tabaco é responsable do 90 % dos cancros de pulmón nos Estados Unidos. O fume do tabaco contén máis de 5300 compostos químicos identificados. Os carcinóxenos máis significativos no fume do tabaco foron determinados aplicando o concepto de "marxe de exposición". Segundo ese enfoque, os compostos tumorixénicos no fume do tabaco eran, por orde de importancia, a acroleína, formaldehido, acrilonitrilo, 1, 3-butadieno, cadmio, acetaldehido, óxido de etileno e isopreno. En xeral, estes compostos son xenotóxicos e causan danos no ADN. Como exemplos, reportáronse os efectos que danan ao ADN da acroleína, o formaldehido, e o acrilonitrilo.
O cancro de mama é o segundo cancro máis frecuente no mundo por casos anuais (1, 38 millóns de casos, 10, 9 % de todos os casos de cancro), e está no 5º lugar como causa de morte (458. 000, 6, 1 % de todas as mortes por cancro). O risco de cancro de mama está asociado con niveis sanguíneos persistentemente altos de estróxenos. O estróxeno probablemente contribúe á carcinoxénese de mama por medio dos seguintes procesos; (1) conversión metabólica do estróxeno a carcinóxenos xenotóxicos mutaxénicos, (2) estimulación do crecemento dos tecidos, e (3) represión dos encimas de detoxificación de fase II que metabolizan especies reactivas do oxíxeno xenotóxicas, resultando así nun aumento dos danos ao ADN oxidativos. O principal estróxeno humano, o estradiol, pode metabolizarse a derivados da quinona que forman adutos do ADN. Estes derivados poden causar a eliminación de bases do eixe fosfodiéster da molécula de ADN (por exemplo, despurinación). Esta eliminación pode ir seguida dunha reparación inexacta do sitio apurínico orixinando unha mutación e finalmente o cancro.
O cancro colorrectal é o terceiro máis frecuente no mundo con 1, 23 millóns de casos (9, 7 % de todos os casos de cancro), e 608. 000 mortes (8, 0 % de todas as mortes por cancro). O fume do tabaco tamén inflúe neste cancro. Como exemplo, nos Estados Unidos o fume do tabaco pode ser o responsable de ata o 20 % de cancros colorrectais. Ademais, hai evidencias substanciais de que os ácidos biliares son un importante factor xenotóxico para o cancro de colon. En particular, o ácido biliar ácido desoxicólico causa a produción de especies reactivas do oxíxeno que danan o ADN en células epiteliais do colon de humanos e roedores.
O cancro de estómago é o cuarto tipo de cancro máis común no mundo con 990. 000 casos (7, 8% de todos os casos de cancro) e 738. 000 decesos (9, 7 % de todas as mortes por cancro). A infección por Helicobacter pylori é o principal factor causante de cancro de estómago. A inflamación crónica debida a H. pylori, se non se trata, adoita ser moi duradeira. A infección por H. pylori de células do epitelio gástrico causa un incremento da produción de especies reactivas do oxíxeno xenotóxicas. As especies reactivas do oxíxeno causan danos no ADN que inclúen a formación da importante base alterada 8-oxo-2'-desoxiguanosina. Nun estudo retrospectivo recente atopouse que o uso de secuestradores de ácidos biliares estaba asociado cunha significativa redución de risco de cancro gástrico, o que suxire que os ácidos biliares poden contribuír ao cancro de estómago.
Quimioterapia xenotóxica
A quimioterapia xenotóxica é o tratamento do cancro usando un ou máis fármacos xenotóxicos. O tratamento forma parte tradicionalmente do réxime de quimioterapia estandarizado. Ao utilizar as propiedades destrutivas dos tratamentos con xenotoxinas preténdese inducir danos no ADN nas células cancerosas. Os danos feitos ás células do cancro transmítense ás células cancerosas descendentes a medida que continúe a proliferación celular. Se estes danos son o suficientemente graves, inducen que as células sufran apoptose.
Riscos
Unha desvantaxe do tratamento é que moitos fármacos xenotóxicos son igualmente efectivos contra as células cancerosas e as células normais. A selectividade da acción dun determinado fármaco está baseada na sensibilidade das propias células. Así, aínda que as células cancerosas, que se dividen rapidamente, son especialmente sensibles a moitos tratamentos farmacolólxicos, a miúdo tamén afectan ao funcionamento das células normais.
Outro risco do tratamento é que moitos fármacos, ademais de seren xenotóxicos, son tamén mutaxénicos e citotóxicos, de tal xeito que estes fármacos non están só limitados a producir danos no ADN. Ademais, algúns destes fármacos que están pensados para tratar cancros son tamén eles mesmos carcinóxenos, elevando o risco de aparición de cancros secundarios, como a leucemia.
Diferentes tratamentos
Esta táboa mostra diferentes tratamentos do cancro baseados en xenotóxicos xunto con exemplos.
Riles
Os danos ao ADN xenotóxicos nos riles foron implicados na lesión renal crónica e no carcinoma de célula renal. Os estudos feitos en persoas con deficiencias xenéticas en vías de reparación do ADN revelaron que os seus riles son especialmente vulnerables aos danos no ADN como os enlaces cruzados no ADN, roturas no ADN e danos que bloquean a tanscrición.