Tossicità e prove su animali: a che punto siamo?

Luigi Campanella, ex presidente SCI

Gli studi tossicologici su sistemi bersaglio sono generalmente condotti utilizzando differenti dosi di tossico capaci di coprire un largo intervallo di concentrazione. I risultati di ogni studio mostreranno generalmente, ma non sempre, effetti dannosi ad alte dosi, ed effetti lievi a basse dosi. Se la sostanza è tossica sarà così identificata la dose alla quale gli effetti dannosi compaiono (livello di effetto EL). La natura e la severità degli effetti osservati varierà con il tipo di test, il tempo di esposizione, la specie bersaglio il che mette in discussione qualunque trasferimento conclusivo da una specie ad un’altra. Lo studio identificherà anche la dose massima alla quale non si osservano effetti (livello di nessun effetto osservato NOEL). Così da studi di tossicità condotti in modo diverso potranno risultare differenti valori di NOEL: la valutazione del rischio dovrebbe basarsi sullo studio più sensibile che fornisce il minimo valore di NOEL. Qualche volta il termine NOEL è sostituito da NOAEL dove la lettera A sta per avverso, indicando con essa il carattere dell’effetto, rispetto ad un effetto non nocivo.

I risultati di studi di tossicità possono essere usati in due modi diversi: per predire livelli sicuri di esposizione dell’uomo e per predire livelli potenzialmente tossici e la natura probabile degli effetti dannosi.

Nel primo caso i risultati degli studi di tossicità possono essere usati per predire la più elevata quantità di un tossico assorbito su base giornaliera da un essere umano senza alcun danno sostanziale. Talvolta tale quantità viene riferita all’unità di peso del soggetto e viene assunta come pari al NOEL diviso per 100: ciò al fine di una maggiore garanzia a protezione degli esposti, tenuto conto che gli esseri umani possono essere più sensibili ai tossici degli animali utilizzati nei test di tossicità a causa di differenze tossicocinetiche e tossicodinaniche nell’iter di un tossico (adsorbimento, metabolizzazione, escrezione per la tossicocinetica, attività contro la cellula, i tessuti, gli organi per la tossicodinamica).

Nel secondo caso i risultati degli studi della tossicità possono essere usati per predire la natura di effetti nocivi che si possono registrare negli esseri umani ed a quali livelli di esposizione tali danni si possano registrare. Molti tipi di effetto nocivo per un particolare tossico si osservano soltanto al di sopra di una certa dose, il cui valore però può variare al variare della specie e della durata dell’esposizione.

Per la maggior parte degli effetti tossici prodotti da un particolare composto c’è un valore di esposizione al di sotto del quale gli effetti nocivi non si osservano. A basse esposizioni il corpo può tollerare alcuni disturbi alle sue funzioni biochimiche e fisiologiche senza alcun segnale o sintomo di malattia. Talora l’organismo è capace di rimediare ad alcuni danni derivati dal contatto con alcuni composti purché questo sia limitato nel tempo, talaltra tale risanamento non può avvenire, il che si traduce in danno permanente e lunghe malattie. Quando i danni sono di natura genetica al DNA ed ai cromosomi o peggio portano a forme di cancro per danneggiamento del DNA si parla di effetti genotossici o carcinogenici. Questi effetti possono essere rilevati mediante test in vitro, ad esempio esponendo batteri ai tossici da testare (test di Ames) o cellule isolate animali o umane al tossico stesso. Se risultano effetti genotossici in vitro, si passa ai test in vivo su animali per confermare o meno i risultati in vitro. Il danno al DNA è un evento di tutti i giorni (si pensi all’esposizione alla componente ultravioletta dello spettro solare, all’esposizione ai radicali liberi dell’ossigeno, alla divisione cellulare) cosicché il nostro organismo deve porvi rimedio con provvedimenti ed iniziative che si ripetono per milioni di volte al giorno. Questi studi hanno dimostrato che danni al DNA possono prodursi anche a dosi molto basse, crescendo ovviamente nettamente al crescere della dose. Questi campioni vengono definiti positivi, nel senso che producono danno genotossico. Ad oggi non è possibile definire livelli di nessun effetto per i composti chimici positivi. I danni non riparati a cellule e DNA possono avere due conseguenze negative: possono provocare divisione e mutazione cellulare. I danni al DNA non necessariamente devono portare a mutazioni cellulari. Gli effetti cancerogenici vengono osservati e misurati esponendo animali, generalmente topi o ratti di età giovane a dosi giornaliere di tossico esaminando il numero ed il tipo di tumori che si sviluppano ma le conclusioni di tale tipo di approccio soffrono di accuratezza in quanto riferite a specie diverse da quelle che si intende proteggere, l’uomo. C’è infine da osservare che l’esposizione a dosi quanto si voglia piccole, se anche non produce alcun effetto nel tempo breve di fatto lo produce certamente nel lungo, lunghissimo tempo; questo tipo di rilevazione per motivi pratici non è di reale esecuzione. Per i composti cancerogenici differenti approcci ci dicono se ci sia un reale rischio di cancro ai valori di esposizione che realisticamente possono essere del tipo di quelli incontrati dagli esseri umani. Tali approcci si basano usualmente su curve dose/risposta, ottenute durante test animali. Queste curve relazionano l’incidenza del cancro alle variabilità delle dosi giornaliere assunte per tutta la vita.

Una varietà di modelli matematici può essere applicata alla curva dose-risposta per arrivare ad una stima del rischio. I modelli matematici sono generalmente considerati conservativi, fornendo una stima del rischio che non soltanto eccede sul fronte della sicurezza, ma può considerevolmente sovrastimare il rischio probabile per gli esseri umani. A causa delle limitazioni nei test sperimentali di cancerogenità animale e nei modelli, alcuni responsabili del rischio non vedono nell’approccio in precedenza indicato un’appropriata via per la stima del rischio umano. Se un composto si rivela genotossico tali responsabili possono decidere che l’esposizione degli esseri umani ad esso dovrebbe essere bassa quanto ragionevolmente prevedibile. Misure adeguate devono essere assunte per ridurre o eliminare l’esposizione. È evidente che i limiti fissati su tali basi possono implicare rischi diversi per sostanze di differente attività.

I contrasti fra diverse posizioni a riguardo dell’uso di animali da esperimento forse potrebbero essere composti se i modelli predittivi sulla tossicità umana si basassero non solo sulle risposte all’attività dei composti testati in vitro, ma anche su dati strutturali relativi a tali composti: un recente studio di Ruili Huang e coll. (R. Huang et al., “Modelling the Tox21 10 K chemical profiles for in vivo toxicity prediction and mechanism characterization,” Nature Communications, doi:10.1038/ncomms10425, 2016.) ha evidenziato l’importanza della correlazione struttura/attività; Ruili Huang è capo di un gruppo di informatici allo NCATS; insieme con i suoi colleghi hanno analizzato 10.000 diversi composti attraverso 30 diversi metodi automatici , basati su analisi cellulare (cell based analisys).

“The system is very efficient,” ha dichiarato Huang a Huang The Scientist. We can test all the chemicals at 15 different concentrations each and in three independent experiment runs in one week. With animal testing, this would take years.”

L’apparecchio usato per i test automatici si chiama TOX21, una sorta di analizzatore robot e i valori generati dai test sono stati quasi 50 milioni; su questa ampia base le previsioni del comportamento basate sul rapporto struttura-proprietà sono state molto precise; Huang spera di poter allargare le prove ad altri 80.000 composti.

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