TOSSICOLOGIA SPECIALE Armando Genazzani (aag25@cam.ac.uk) Pesticidi - Metalli pesanti (e.g. arsenico, piombo, cadmio) - Solventi e gas - Prioni (mucca pazza) - Micotossine, tossine batteriche, micotossine

Produzione agricola massima teorica ed effettiva (1986) Raccolto potenziale effettivo Fattori patogeni causali (%) in milioni di T erbe malattie insetti Riso 715 378 (52%) 11 9 27 Mais 563 362 (64%) 13 10 Grano 578 437 (75%) 5 Cotone 63 41 (65%) 6 12 20 Idea: si puo’ arrivare ad una produzione ottimale con l’aiuto di pesticidi! Obiezioni: (i) meccanizzazione, fertilizzanti, miglioramento genetico (ii) agricoltura convenzionale vs agricoltura organica

FITOFARMACI (???) Fungicidi Battericidi Insetticidi Limacidi Nematocidi Rodenticidi Acaricidi Pesticidi Diserbanti

Chi e’ esposto? avvelenamento Effetto biologico occupazionale accidentale popolazione dose

Principali classi di insetticidi - organoclorurati - organofosforici - carbammati - piretroidi

Tossicita’ acuta: Piu’ di 3 milioni di casi annui, con morti 220,000 morti (1990) Maggior incidenza dei casi negli applicatori a terra e nei lavoratori nei magazzini Maggior incidenza nei paesi in via di sviluppo (sino a 1/100 dei lavoratori annualmente) Rappresentano circa un terzo delle intossicazioni con prodotti chimici

Tossicita’ relativa tra ratto e mosca domestica MSR Organoclorurati DDT 59 Metoxiclor 668 lindano 107 Organofosfati parathion 4 dimetoato 390 Carbammati carbaril 0.6 aldicarb 0.2 DL50 orale ratto MSR = ------------------------- mortality standardised ratio DL50 topica mosca DL50 in dose (e.g. mg) / peso corporeo

Miracoli medici Soppressione dell’epidemia di tifo (DDT; 1943-1944) Controllo della oncocercosi in Africa occidentale mosca nera - Temephos (organofosforico) Controllo della malaria, schistosomiasi, filariosi in Asia ed Africa

Insetticidi clorurati Classificazione Diclorodifeniletani - Diclorodifeniltricloroetano, dicofol Ciclodieni - aldrin, eptaclor Benzeni clorurati - esaclorocicloesano (HCH), lindano

+ - Meccanismo d’azione dei pesticidi clorurati sistema sensorio sistema nervoso Sistema muscolare + Potenziale di membrana avvelenato - normale tempo

Meccanismo molecolare del DDT chiuso K+ Na+ inattivato aperto ATPasi Na+ K+ ATPasi Ca2+

Tossicita’ acuta dei diclorodifeniletani parestesie, aumentata suscettibilita’ agli stimoli esterni, tremore, convulsioni, morte per blocco respiratorio patologia: lesioni epatiche, disordini dovuti ad un effetto estrogenico e anti-androgeno R Ligando H E R* nucleo trascrizione mRNA Proteine mediatrici DDT dietilstilbestrolo

Perdita di peso, anemia, tremori, debolezza muscolare, ansieta’, Tossicita’ cronica Perdita di peso, anemia, tremori, debolezza muscolare, ansieta’, Problemi associati agli ormoni sessuali Esempio: ragazza di 12 anni che indossava vestiti impregnati con Dicofol (analogo del DDT) effetti acuti: nausea - diplopia - atassia - confusione mentale Progressione a sintomi cronici (4 mesi): cefalea - visione offuscata - Nistagmo, dolori muscolari, perdita di memoria, disturbi del comportamento Persistenza dei deficit cognitivi e depressione per almeno 2 anni.

Meccanismo molecolare dei ciclodieni e benzeni clorurati (aldrin, lindano, HCH, etc) Sistema nervoso centrale Inibizione (GABA) Eccitazione (glutammato) GABA Cl- ATPasi ATPasi Na+ Ca2+ K+

Tossicita’ dei ciclodieni e benzeni clorurati Acuta: iperreflessia, nausea, vomito, convulsioni Cronica: mal di testa, convulsioni, problemi motori (atassia), tremori, diminuzione della fertilita’

} Il declino degli insetticidi clorurati Bassa volatilita’, stabilita’ chimica, liposolubili, limitata degradazione e biotrasformazione BIOCONCENTRAZIONE Ambiente 1 Verdura 0.08 Lombrico 73 Aquila 36 Pesce 829.000 } Valore massimo osservato Specie vivente/ ambiente Inuit, Groenlandia (diminuita funzione immunitaria) - Kiev Iraq, Tailandia, Citta’ del Messico Corteccie degli alberi (esaclorobenzene; distillazione planetaria)

ADI di un ciclodiene clorurato ADI = dose giornaliera ammissibile aldrin = 0.1 µg/ Kg p.c. UK non rilevabile 1988 Olanda non rilevabile Stati Uniti 5% Svizzera 15% Egitto 136% 50% 100 Esposizione in Asia e’ spesso 100-1000 volte superiore Al ADI del WHO

ADI del DDT Inuit in Groenlandia Diminuita funzione immunitaria Aumentata suscettibilita’ alle infezioni Citta’ dove erano presenti industrie e.g. Kiev

Composti organofosforici Fosfati, fosfonati, fosfammidi, parathion - Piu’ del 40% del mercato - emivita ambientale breve, assenza di accumulo

Meccanismo d’azione Neurone A Neurone B

AChE- ribbon model 3D structure of Torpedo californica acetylcholinesterase looking down the 'gorge' lined with aromatic residues (purple). A ball and stick model of acetylcholine is bound at the active site

AChE active site

Acetilcolinesterasi butilcolinesterasi 1 proteina puo’ idrolizzare 10,000 molecole di Ach/sec

} - Miastenia gravis - Glaucoma Inibitori: Breve durata: edrofonio Durata intermedia: neostigmina, fisostigmina, Lunga durata: yridostigmina Irreversibili o lentamente irreversibili: Gas nervini (soman, sarin), insetticidi } - Miastenia gravis - Glaucoma Gli organofosfarici si legamo alla serina fosforilandola irreversibilmente I carbammati si legano alla serina ma il legame e’ lentamente reversibile

carbamoilazione carbaryl AChE

fosforilazione paraoxon

Acetylation Carbamoylation Phosphorylation 10 ms 1-10 s Minutes Serine

Segni di tossicita’ acuta Stimolazione muscarinica: broncocostrizione, aumentata sudorazione, miosi, crampi gastrointestinali, diarrea urinazione. Stimolazione della giunzione neuromuscolare: paralisi flaccida, fascicolazioni, Stimolazione del sistema nervoso centrale: atassia, letargia, convulsioni

Sindromi Disordine cronico neuropsichiatrico indotto da insetticidi (tipo I); ridotta ambizione ed interesse disturbi cefalalgici, cardiocircolatori, gastrointestinali intolleranza ad alcool e nicotina invecchiamento precoce Disordine cronico neuropsichiatrico indotto da insetticidi (tipo II); mostra inoltre sincopi, amnesia, demenza Sindrome intermedia: condizione paralitica flaccida che si manifesta 24-72 ore dopo l’esposizione Neurotossicita’ ritardata da organofosfati: flaccidita’ iniziale e quindi spasticita’ Sindrome dei veterani della guerra del golfo

Trattamento delle intossicazioni atropina Ach Recettore muscarinico Pralidossime: rigenerante E - O - P O OR OR’ + C N OH N CH3 O N O - P OR C N OR’ CH3 + E

Regeneration Aging

Parathion e tossicogenetica Domanda: E’ possibile che alcuni individui siano piu’ suscettibili di altri? attivazione parathion paraoxon CYP450 Epatica (desulfurazione ossidativa) inattivato nel plasma da paraoxonasi inattivazione

DL50 ratto anatra pesci DDT 113 > 2000 16 parathion 13 2 95 Sensibilita’ di specie diverse alle azioni tossiche dei pesticidi DL50 ratto anatra pesci DDT 113 > 2000 16 parathion 13 2 95 carbaril 850 > 5000

promotore gene 55 192 leucina (L) metionina (M) glutamina (A) arginina (B) A meglio per sarin, soman B meglio per paraoxon, armin attacco con sarin nella metropolitana di Tokio sindrome del Veterano della guerra del golfo

Terapia genica ed paraoxonasi BB AL BL Controllo BB clorpirifos Tossicita’ evidente 33% 13% 7%

Piretro e piretroidi Piretro: origine vegetale contenente piretrine, cinerine, jasmoline Utilizzato anche come insetticidi domestici in combinazione con piperonil butossido (inibitore delle monoossigenasi) - piretroidi: composti di sintesi Composti di tipo I: alletrina, cismetrina, tetrametrina Composti di tipo II: cicloprotrina, cipermetrina, fluvalinato Presenza di un sostituente a-ciano

Meccanismo d’azione Na+ Ca2+ ATPasi Ca2+ GABA Cl- Tipo 1: aprono il canale per breve tempo (ms) e riducono la desensitizzazione Tipo 2: aprono il canale per un periodo piu’ prolungato di tempo (sec) e riducono la desensitizzazione, bloccano il canale GABA

Tossicita’ Tipo I (sindrome T): aggressivita’, ipereccitazione, prostrazione, tremori Tipo II (sindrome CS): convulsioni, salivazione, disturbi del movimento (coree), formicolii

Resistenza ‘knockdown’ - Effetto tossico cumulativo??