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IDROCARBURI CLORURATI PERSISTENTI Gli idrocarburi alogenati persistenti, ed in particolare quelli clorurati, costituiscono un importante gruppo di inquinanti.

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1 IDROCARBURI CLORURATI PERSISTENTI Gli idrocarburi alogenati persistenti, ed in particolare quelli clorurati, costituiscono un importante gruppo di inquinanti ambientali ubiquitari Cl y Cl x C H C Cl - Bifenili policlorurati: - Sostanze biocide: Cl H H H H H H O O Cl x Cl y O Cl x Cl y - Dibenzodiossine e dibenzofurani policlorurati: PCDDPCDF p,p’-DDT* (diclorodifeniltricloroetano) Esaclorobenzene Lindano* (  -esaclorocicloesano) * Usati come insetticidi x la loro elevata efficacia negli insetti e la bassa tossicità acuta negli organismi superiori

2 I bifenili policlorurati (PCB o PCD)

3 I PCB possiedono una bassa tossicità acuta e sono stati utilizzati per le loro eccellenti proprietà tecniche in numerosi prodotti industriali e nei più svariati settori di impiego Le proprietà tecnicamente importanti dei PCB: Sintesi facile, produzione economica Non infiammabili Resistenti al calore Chimicamente stabili Non corrosivi Non cristallizzano Elevata costante dielettrica Bassa tensione di vapore Alto punto di ebollizione Poco solubili in acqua Bassa tossicità acuta Esempi di campi di impiego dei PCB: Sistemi chiusi: - Olio per trasformatori - Dielettrico nei condensatori - Sigillante - Scambiatore di calore Sistemi aperti: - Oli da taglio - Lubrificante - Impregnante antincendio - Ammorbidente x materie plastiche Additivo per: - Inchiostro - Toner per fotocopiatrici - Smalti - Vernici …tuttavia i PCB (come il DDT) sono persistenti nell’uomo, nell’animale e nei comparti ambientali e si accumulano in molti organismi => generalmente vietati nell’UE o usati solo in condizioni rigorose.

4 PERSISTENZA NELL’AMBIENTE DEI PCB Nell’aria i PCB vengono degradati velocemente per azione della luce e delle condizioni atmosferiche. Nel terreno e nelle acque vengono decomposti molto lentamente dalle reazioni chimiche e biochimiche. Nell’organismo dei mammiferi vengono metabolizzati molto lentamente. A causa della elevata liposolubilità e della lenta eliminazione si accumulano soprattutto nei tessuti grassi degli animali e dell’uomo. Il contenuto di PCB nel terreno e negli alimenti Materiale test mg PCB/kg Terreno coltivabile 0,03 Deposito di filtrazione 0,75 Cibo vegetale 0,009 Cereali 0,005-0,12 Verdure 0,005 Margarina 0,013 Pesce di mare 0,12-0,33 Pesce d’acqua dolce 0,74-1,01 Anguilla 1,43-6,51 Carne bovina 0,067 Carne suina 0,069 Insaccati 0,62 Grasso animale 0,23 Latte 0,09-0,14 Burro 0,11 Formaggio 0,07

5 METABOLISMO DEI PCB I PCB vengono metabolizzati soprattutto nel fegato dalla monoossigenasi cit-P-450 dipendente. La velocità di metabolismo e il tipo di metaboliti che si formano dipendono dal grado di clorazione e dalla posizione degli atomi di cloro. Cl y Cl x Cl y Cl x O Cl y Cl x OH Cl y Cl x OH Cl y Cl x (OH) 2 P-450 O2O2 Epossidrolasi P-450 O2O2 Coniugazione Coniugato fenolico Epossido Metabolita fenolico Diidrodiolo Epossido + glutatione  metiltioeteri  derivati metilsolfinici e metilsolfonici OX I derivati metilsolfonici (es: 4,4-bis(Metilsolfonil)-2,2’,5,5’-tetraclorobifenile) sono stati trovati nei polmoni, nel fegato e nei tessuti grassi di soggetti con intossicazioni gravi da PCB (malattia di Yusho). Legame a proteine, DNA e RNA

6 Le miscele tecniche di PCB inducono una serie di enzimi metabolizzanti e citocromo P-450 dipendenti: -L’attività degli isoenzimi del tipo fenobarbital (CYP2B1 e CYP2B2) e del tipo metilcolantrene (CYP1A1 e CYP1A2) nel fegato è aumentata -Diversi sistemi enzimatici di fase II sono indotti (es: glucuronil-trasferasi, glutatione S trasferasi e reduttasi) Le miscele tecniche di PCB (es. Aroclors) e la maggior parte dei congeneri possiedono una tossicità cronica e acuta relativamente bassa: -DL50 > 1000 mg/kg -Singole dosi elevate di PCB provocano nei ratti e topi una perdita di peso progressiva (wasting syndrome). -Gli effetti letali si osservano dopo 2-3 settimane di trattamento a dosi molto elevate. -Altri sintomi dopo somministrazione subcronica o cronica sono: ingrossamento del fegato e della milza, alterazioni patologiche della cute (cloracne) e dei reni, disturbi del sistema immunitario (ridotta produzione di anticorpi e atrofia timica). -Negli esperimenti su animali da laboratorio i PCB non sono genotossici ma cancerogeni (forti promotori tumorali nel fegato: lesioni preneoplastiche, noduli neoplastici, carcinomi epatocellulari, adenocarcinomi e alterazioni dei vasi dei dotti biliari quali adenomi e colangioma).

7 TOSSICITA’ DEI PCB NELL’UOMO Giappone (1968): circa persone furono colpite dalla cosiddetta malattia di Yusho Taiwan (Yu-Cheng 1979): furono coinvolte circa 1900 persone In entrambi i casi PCB venne utilizzato come scambiatore di calore nella produzione di olio e finì nell’olio alimentare attraverso le tubature non sufficientemente spesse. Inoltre, per conversione termica nei PCB erano presenti impurezze di PCDF e anche terfenili clorurati e tetrafenili. Disturbi e sintomi nei pazienti di Yusho Frequenza % Sintomi Uomini Donne (n=89) (n=100) Pigmentazione marrone delle unghie Acne cutanea Pigmentazione cutanea Disturbi temporanei della vista Ittero Gonfiore della palpebra superiore Sensazione di debolezza Intorpidimento delle estremità Emicrania Vomito Diarrea Sindrome fetale da PCB: Bambini, le cui madri furono colpite durante la gravidanza, mostrarono un’iperpigmentazione della cute e della mucosa della cavità orale, iperplasie delle gengive, enorme ossificazione delle ossa craniche e denti prematuri. Il peso alla nascita era inferiore alla norma. Le cause di questa sindrome sono probabilmente associate con disturbi dell’equilibrio minerale e ormonale. I PCB provocano anche riduzione dei livelli degli ormoni tiroidei durante lo sviluppo, deficit nell’apprendimento e alterazioni neurologiche nei bambini nati da madri esposte a PCB. Ad oggi non è ancora chiara la relazione tra esposizione ai PCB, mortalità e cancro. In uno studio epidemiologico su lavoratori esposti per lungo tempo a PCB è emersa una certa correlazione fra l’esposizione a PCB e il manifestarsi di tumori del sistema linfatico ed emopoietico e del tratto gastrointestinale. Ma tale tendenza non è stata confermata da altri studi.

8 ESPOSIZIONE A PCB I PCB vengono assunti soprattutto con l’alimentazione, mentre molto basso è l’assorbimento tramite l’aria dove si ritrovano in bassa concentrazione. Il consumo medio stimato per l’assunzione giornaliera di PCB negli adulti risulta pari a 0,06-0,12  g/kg di peso corporeo La dose giornaliera accettabile (ADI) per esposizioni durante tutta la vita corrisponde a 1-3  g/kg L’esposizione media dell’uomo ai PCB negli alimenti come mezzo di esposizione principale attualmente non rappresenta alcun pericolo per la salute Il latte materno contiene in media 1,5 mg PCB/kg di grasso del latte => un lattante giornalmente è esposto a 7  g PCB/kg di peso corporeo (>ADI!!!). Questa esposizione è considerata tollerabile a causa dei grandi vantaggi dell’allattamento e per i brevi periodi di allattamento (settimane-alcuni mesi) => finora non sono stati osservati disturbi alla salute nei lattanti.

9 Dibenzodiossine e dibenzofurani policlorurati (PCDD e PCDF)

10 O Cl x Cl y PCDD e PCDF: Composti organici clorurati che comprendono 75 congeneri della diossina e 205 congeneri del furano (con un diverso numero e posizione degli atomi di cloro). Gli analoghi bromurati si comportano in modo analogo per quanto riguarda la forza d’azione, la tossicocinetica e il metabolismo. Gli omologhi con sostituenti alogeni in posizioni 2,3,7,8 costituiscono i composti di maggiore rilievo dal punto di vista tossicologico. O O Cl x Cl y PCDD e PCDF si formano durante i processi di combustione in presenza di cloro inorganico o legato a composti organici. Raggiungono l’atmosfera con i gas di scarico, in particolare legati a particelle solide. Le industrie (produzione di carta, lavorazione metalli (++), etc.), ma anche gli impianti di riscaldamento privati, i forni a legna e i grill contribuiscono all’inquinamento esteso. In passato: incenerimento dei rifiuti, produzione e utilizzo di biocidi organici* contenenti cloro. Nella produzione di *acido 2,4,5-triclorofenossiacetico e *clorofenoli si arriva a reazioni incontrollate e in eccesso con formazione di PCDD e soprattutto 2,3,7,8- TCDD (nel mondo più di 10 incidenti negli ultimi 40 anni. Es: Seveso 1976)

11 Fattori di tossicità equivalente per PCDD e PCDF PCDD/F 2,3,7,8- Tetraclorodibenzodiossina (TCDD) 1,2,3,7,8-Pentaclorodibenzodiossina (PeCDD) 1,2,3,4,7,8- Esaclorodibenzodiossina (HxCDD) 1,2,3,7,8,9- Esaclorodibenzodiossina (HxCDD) 1,2,3,6,7,8- Esaclorodibenzodiossina (HxCDD) 1,2,3,4,6,7,8- Eptaclorodibenzodiossina (HpCDD) Octaclorodibenzodiossina (OCDD) 2,3,7,8-Tetraclorodibenzofurano (TCDF) 2,3,4,7,8-Pentaclorodibenzofurano (PeCDF) 1,2,3,7,8-Pentaclorodibenzofurano (PeCDF) 1,2,3,4,7,8-Esaclorodibenzofurano (HxCDF) 1,2,3,7,8,9-Esaclorodibenzofurano (HxCDF) 1,2,3,6,7,8-Esaclorodibenzofurano (HxCDF) 2,3,4,6,7,8-Esaclorodibenzofurano (HxCDF) 1,2,3,4,6,7,8-Eptaclorodibenzofurano (HpCDF) 1,2,3,4,7,8,9-Eptaclorodibenzofurano (HpCDF) Octaclorodibenzofurano (OCDF) TEF 1 0,5 0,1 0,01 0,001 0,1 0,5 0,05 0,1 0,01 0,001 TEF: si basa sull’induzione del recettore per gli aril-idrocarburi. L’intensità relativa di un singolo congenere è riferita al 2,3,7,8-TCDD, composto ad azione maggiore. Poiché nell’ambiente si presentano quasi sempre miscele di PCDD/F, la tossicità totale si calcola come:  TEF x · [PCDD/F x ] TOSSICITA’ EQUIVALENTE

12 Gli idrocarburi aromatici polialogenati (derivati policlorurati di PCDD, PCDF, PCB, azobenzeni, azossibeneni e naftalene) sono potenti induttori del cit-P450. In generale, i composti altamente clorurati sono resistenti alla biotrasformazione e causano un’induzione prolungata del cit-P450 e altri enzimi. Induzione cit-P450 => ↑ richiesta heme => porfiria (accumulo eccessivo degli intermedi della biosintesi dell’eme) Turchia 1956: l’ampio consumo di frumento contaminato dal fungicida esaclorobenzene ha causato un’epidemia di porfiria cutanea. USA 1964: gli operai di un’industria che produceva acido 2,4,5- triclorofenossiacetico (erbicida) sono stati colpiti da porfiria cutanea causata da 2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-diossina, presente come contaminante. Le sostanze che causano l’induzione del P450 non sembrano causare porfiria cutanea in condizioni normali, ma la patologia si sviluppa in presenza di “precipitating factors” come il fenobarbital, la fenitoina e l’alcol. Le 5 classi principali di induttori del cit-P450 sono: 3-metilcolantrene, fenobarbital, pregnenolone-16  -carbonitrile, acido clofibrico e isoniazide. In assenza di induttori, la trascrizione del gene CYP1A1 è inibita da una “repressor protein”. L’induzione del CYP1A1 richiede sia de-repressione che attivazione della trascrizione da parte del recettore Ah per gli aril-idrocarburi. Il recettore Ah lega diversi idrocarburi aromatici (come 3-metilcolantrene e benzo[a]pirene), ma i ligandi con la più alta affinità sono i TCDD => il recettore Ah è anche noto come recettore per le diossine. INDUZIONE DEL CIT-P450

13 IL RECETTORE Ah Topi KO per il recettore Ah sono resistenti agli effetti carcinogeni del benzo[a]pirene => l’induzione del CYP1A1 svolge un ruolo importante nella carcinogenesi indotta da idrocarburi aromatici policiclici. Oltre all’induzione di CYP1A1, il recettore Ah può trasportare metaboliti reattivi per il DNA (es. ortochinoni) nel nucleo o può regolare l’espressione di geni che mediano l’induzione del cit-P450. TCDD e altri ligandi di Ah sono potenti promotori tumorali. Ah Hsp90 L Ah P Tyr-K Ah nucleo ArntAh DRE o XRE CYP1A1 CYP1A2 Chinone ossidoreduttasi Glutatione S-trasferasi UDP-glucuronosiltransferasi Aldeide deidrogenasi LL L P Arnt: Ah receptor-nucleus-transolcator (proteina trasportatrice nucleare del recettore Ah) DRE o XRE: dioxin or xenobiotics responsive elements L’induzione del CYP1A1 da parte degli idrocarburi policilici aromatici viene anche indotta (in < misura) tramite l’attivazione del recettore citosolico 4S-binding protein (glicina-N-metil-trasferasi). Il primo introne del gene CYP1A1 contiene un GRE => i glucocorticoidi potenziano l’induzione del CYP1A1 da parte di TCDD Citoplasma

14 2,3,7,8-Tetrachlorodibenzo-pdioxin (TCDD)–aryl hydrocarbon receptor (AhR)–aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator (ARNT) signalling. As a typical Per– ARNT–Sim (PAS) protein, AhR possesses transactivation domain, PAS domain which includes the ligand-binding sequence and a basichelix-loop-helix region. In cytosol, AhR is complexed with a dimer of Hsp90, hepatitis B virus X-associated protein 2 and p23 protein. Ligand (TCDD) binding by the AhR results in the nuclear translocation and release of Hsp90 and other partner proteins, followed by dimerization with ARNT. TCDD/AhR/ARNT complex binds xenobiotic responsive element (GCGTG) resulting in transactivation.

15 TOSSICOCINETICA Assorbimento del 2,3,7,8-TCDD: - GI = 50-80% (< per legame a particelle di terra, polvere o carbone attivo > all’aumentare del numero di atomi di cloro) - Cutaneo = basso - Inalazione = basso (poco importante per la bassa pressione di vapore dei PCDD/F > per legame a particelle solide)  La principale fonte di assorbimento è l’alimentazione Le maggiori concentrazioni di TCDD/F si riscontrano nel fegato e nei tessuti grassi Metabolismo (principalmente epatico): - Lento quando le posizioni 2,3,7 e 8 sono alogenate - Veloce quando sono libere le posizioni adiacenti all’anello e per i furani - All’aumentare del numero di atomi di cloro diminuisce la velocità di metabolismo I metaboliti sono in genere meno tossici delle sostanze di partenza Eliminazione: - Intestinale (>) o renale (<) La velocità di eliminazione < all’aumentare degli atomi di alogeni e della liposolubilità correlata T 1/2 = 5-7 anni NOEL (livello di dose senza effetti osservabili): 1 ng/kg di peso corporeo ADI (dose giornaliera accettabile): 1-10 pg TE/kg 0,001 0,01 0, Stati Uniti EPA Stati Uniti FDA Germania Olanda California Canada NRC Stato di NY Canada Health and Welfare (pg/kg/die) EPA: Environmental Protection Agency, NRC: National Research Councl

16 FONTI DI ESPOSIZIONE A PCDD/F I PCDD/F si presentano soprattutto adsorbiti su particelle nell’atmosfera e si accumulano sul terreno e sulle piante Le piante difficilmente assorbono PCDD/F attraverso le radici => l’esposizione attraverso l’ingestione di alimenti vegetali è solo di importanza secondaria per l’uomo Tuttavia con il foraggio i PCDD/F raggiungono l’organismo degli animali da allevamento e si accumulano soprattutto nei tessuti adiposi. Principali fonti di esposizione per l’uomo: carne, grasso animale, latte e derivati, uova e pesce (consumo giornaliero medio nei paesi industrializzati = 1-2 pg/kg) A causa della lunga T 1/2 i PCDD/F si accumulano soprattutto nei tessuti adiposi, aumentando progressivamente nel corso della vita: La concentrazione dei PCDD/F nel latte materno è piuttosto elevata (circa 30 ng TE/kg di grasso del latte >> latte vaccino) Apporto giornaliero nei lattanti: > 100 pg TE/kg peso corporeo Nonostante tali dati, l’accumulo di 2,3,7,8-TCDD nei neonati non è elevatissimo => i vantaggi dell’allattamento sono maggiori di ogni possibile rischio per la salute

17 TOSSICITA’ TOSSICITA’ ACUTA: La 2,3,7,8-TCDD è fra le sostanze più tossiche in tutte le specie animali finora sottoposte a ricerche. Wasting syndrome: forte perdita di peso, legata ad un minore consumo di alimenti => i ratti muoiono per denutrizione associata ad un ridotto contenuto di zucchero nel sangue dopo alcuni giorni dopo somministrazione acuta di 2,3,7,8-TCDD Nell’uomo gli effetti tossici dipendono da esposizioni (accidentali) acute a dosi molto elevate di 2,3,7,8-TCDD o da esposizione intensa per un periodo prolungato sul posto di lavoro. Non si conoscono casi di intossicazione mortale. - Sintomatologia principale: CLORACNE (alterazione cutanea causata da una differenziazione mutata delle cellule delle ghiandole sebacee dovuta a 2,3,7,8- TCDD). Il quadro clinico può protrarsi per diversi anni. (Nel 2004 le diossine sono state usate per avvelenare il Presidente ukraino Viktor Yushchenko). - Sintomi secondari: iperpigmentazione, irsutismo, ipertrigliceridemia, ipercolesterolemia, disturbi GI, anoressia con perdita di peso, neuropatie, dolori muscolari ed emicranie, insonnia e alterazioni della personalità. IMMUNOTOSSICITA’: Gli effetti immunosoppressivi della 2,3,7,8-TCDD si manifestano con: atrofia del timo e alterazione della differenziazione dei linfociti T, ma anche < dell’immunità umorale mediata da anticorpi specifici. Sono stati riscontrati in diverse specie, ma è dubbia la loro importanza nell’uomo. TOSSICITA’ SULLO SVILUPPO E SUL CICLO RIPRODUTTIVO: La 2,3,7,8-TCDD ha effetti teratogeni (nei topi), mentre provoca tossicità embrionale e fetale (ridotto peso alla nascita e mortalità prenatale) in altre specie solo a dosi che inducono intossicazione nelle madri. CANCEROGENICITA’: La 2,3,7,8-TCDD è cancerogena ma non genotossica. Negli animali da laboratorio: aumento dei tumori a livello del fegato, del palato, della cavità orale e dei polmoni. Nell’uomo: la 2,3,7,8-TCDD esercita solo una debole azione tumorigena solo in caso di esposizioni elevate.

18 * * Dopo la strage di Seveso (1976) dal 1977 al 1984 si è riscontrato un aumento delle nascite di bambini di sesso femminile rispetto ai maschi. La causa non è ancora nota, ma potrebbe essere legata ad alterazioni ormonali indotti da TCDD.

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20 MECCANISMI DI TOSSICITA’ La maggior parte, ma non tutti gli effetti biologici e tossici delle TCDD sono mediati dall’attivazione del recettore Ah (es: alcuni effetti sul sistema immunitario) AZIONE ANTIESTROGENA: Mediata dal recettore Ah Studi di cancerogenicità cronica della 2,3,7,8-TCDD nei roditori: - maggiore incidenza di tumori epatici - riduzione dose-dipendente dell’incidenza di tumori delle ghiandole mammarie e dell’utero => azione antiestrogena Effetti simili agli antiestrogeni (progesterone e tamoxifene) nei topi: - Ridotto aumento di peso dell’utero indotto dagli estrogeni - Ridotta espressione dei recettori per estrogeni, progesterone ed EGF nell’utero TOSSICITA’ ACUTA: Wasting syndrome negli animali da laboratorio: ridotta attività della triptofano-2,3- diossigenasi => ↑ [Trp] nel siero => ↑ serotonina nel SNC => inibizione assunzione di cibo => ipoglicemia (non può essere compensata dalla neosintesi di glucosio perché la fosfoenolpiruvato carbossichinasi (PEPCK) ha un’attività ridotta di più del 50%) ALTRI MECCANISMI PROPOSTI: Aumento della perossidazione lipidica, disturbi nel metabolismo della vit A, alterazioni ormonali (ormoni tiroidei, insulina, cortisolo)


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