El problema de la toxicidad de los antiparasitarios

La parasitología debería de estudiar las interacciones con características de dependencia, como lo es el parasitismo. Existen virus parásitos, como los herpes, bacterias parásitas como Mycobacterium tuberculosis. Los virus y bacterias parásitas se estudian dentro de la virología y la bacteriología respectivamente. Por ese motivo, la parasitología se ocupa principalmente de parásitos invertebrados como protozoos, anélidos y artrópodos. Al trabajar con organismos basados en células eucariotas, los antiparasitarios también tienen un efecto tóxico sobre las células humanas. Por ese motivo, debemos de tener en cuenta la toxicidad del producto a la hora de administrarlo.

Caso clínico:

Tomás se fue de vacaciones a California por tres semanas. Durante su estancia, se percató que los mosquitos eran muy agresivos y pululaban a su alrededor continuamente. Motivo por el cual, le preocupó mucho el contraer el virus de la fiebre del Nilo occidental.

Tomás decidió comprar un repelente para mosquitos que contenía DEET como ingrediente activo. Se roció el repelente en la piel diariamente, reaplicándoselo cada dos o tres horas. En muchas ocasiones, después de aplicárselo en los brazos y las piernas, se vistió con pantalón y camisa de manga larga cubriendo las áreas tratadas con el repelente.

Después de dos semanas de usar el repelente de esta manera, notó una sensación de hormigueo y picazón en su piel. Al final de sus vacaciones, le aparecieron llagas y ampollas en los brazos y piernas. Cuando volvió a casa, se preguntó si las erupciones en su piel habían sido causadas por el uso del repelente. Tomás busco más información en el Internet, encontrando la página web del Centro Nacional de Información de Pesticidas y decidió llamarles.

Tomás aprendió que aplicaciones repetidas e indebidas, así como exposiciones prolongadas a un repelente con DEET podrían causar sensaciones de hormigueo, descamación e irritación en la piel. En algunos casos, la sobreexposición ha causado dermatitis y empeorado condiciones medicas preexistentes de la piel.

El especialista de NPIC le explicó a Tomás que el repelente puede ser aplicado directamente en su piel o encima de la ropa; pero no debe ser aplicado debajo de o estar cubierto por ropa. Más aún, las instrucciones indicaban "evite el uso en exceso del producto" y que este proporciona "hasta 6 horas de protección." Para prevenir exposiciones prolongadas, la etiqueta indica "lave la piel tratada con agua y jabón después de regresar al interior". Fuente

Para valorar la toxicidad de los pesticidas y antiparasitarios importa la dosis y también el peso del organismo sobre el que se administra. A mayor masa corporal mayor capacidad para eliminar metabólicamente el producto.

 Fig.1. La Dosis Letal Media (Median Lethal Dose) se suele abreviar como MLD50, o llamada solo "dosis letal, 50% (DL50)". Es una medida de la toxicidad aguda de una sustancia química. Se define como la cantidad de una sustancia que, cuando se administra a un grupo de animales de prueba, causa la muerte del 50% de ellos dentro de un período de tiempo determinado, generalmente 24 h. Fuente

LD50 y LC50

LD50 (Dosis Letal 50%) es una dosis derivada estadísticamente en la que se espera que muera el 50% de los animales. Para la toxicidad por inhalación, se utilizan las concentraciones en el aire como valores de exposición. Por lo tanto, se utiliza la LC50 (Concentración Letal 50%).

El LD50 y el LC50 se obtienen típicamente de estudios de toxicidad aguda. Las unidades de LD50 y LC50 se enumeran de la siguiente manera:

LD50: mg/kg p.c. mg/kg p.c./día significa miligramos de sustancia por kilogramo de peso corporal administrados por día.

LC50: mg/L. mg/L es la concentración de aire estimada de una sustancia administrada por vía de inhalación. A veces se usa ppm.

EJERCICIO 1: ¿Qué valor de LD50 indica una mayor toxicidad aguda? Razona tu respuesta

Fig. 2.

Respuesta: Un valor más bajo de LD50/LC50 indica una mayor toxicidad aguda.

NOAEL

El Nivel Sin Efecto Adverso Observado (NOAEL) es el nivel máximo de exposición en el que no hay aumentos biológicamente significativos en la frecuencia o gravedad de los efectos adversos entre la población expuesta y su grupo de control apropiado; algunos efectos pueden producirse a este nivel, pero no se consideran efectos adversos.

Los NOAEL se obtienen típicamente de estudios de toxicidad de dosis repetidas (estudio de toxicidad de dosis repetidas de 28 días, estudio de toxicidad de dosis repetidas de 90 días o toxicidad crónica) y estudios de toxicidad reproductiva. Los NOAEL son muy importantes. Se utilizan para derivar dosis de exposición segura para los seres humanos, como el nivel derivado sin efecto (DNEL), el límite de exposición ocupacional (OEL) y la ingesta diaria admisible (ADI).

Las unidades de NOAEL son mg/kg p.c./día o ppm para las vías dérmica y oral. Para la vía de inhalación, se utiliza NOAEC en su lugar. La unidad puede ser mg/L/6h/día.

Un NOAEL o NOAEC más alto indica una menor toxicidad sistémica o una menor toxicidad crónica.

LOAEL

El Nivel Más Bajo de Efecto Adverso Observado (LOAEL) es el nivel de exposición más bajo en el que hay aumentos biológicamente significativos en la frecuencia o gravedad de los efectos adversos entre la población expuesta y su grupo de control apropiado.

A veces, solo se puede obtener el LOAEL de los estudios de toxicidad de dosis repetidas (estudio de toxicidad de dosis repetidas de 28 días, estudio de toxicidad de dosis repetidas de 90 días o toxicidad crónica) y los estudios de toxicidad reproductiva debido al diseño del estudio. Si no se pueden identificar los NOAEL, también se utilizan los LOAEL para derivar la dosis de exposición segura para los seres humanos, como el nivel derivado sin efecto (DNEL). Sin embargo, se deben aplicar factores de evaluación más altos.

La imagen a continuación muestra la relación entre LD50, LOAEL, NOAEL y DNEL en una curva dosis-respuesta típica.

Eficacia versus letalidad

Dosis efectiva: La dosis que produce el efecto deseado en el 50 % de la población se conoce como dosis efectiva 50% o ED50. Puede ser graficado en la Curva dosis-respuesta como la mitad de la concentración de fármaco necesaria para alcanzar la eficacia máxima.

Fig. 3 Margen de seguridad

La eficacia es la capacidad que tiene un fármaco para matar al 100% al microorganismo que esté causando enfermedad. Tiene que ser menor a la letalidad de ese mismo fármaco en animales de experimentación. Cuanto menor mejor. El márgen de seguridad es la distancia entre la ED50 y la LD50.

Linearizar curvas sigmoideas

Para poder obtener información relevante es necesario linearizar las curvas sigmoideas, lo cual se consigue expresando la dosis en el eje de abscisas de forma logarítmica. 

Fig. 4 Características curva sigmoidea. Fuente

Video 1: Transformar datos no lineales para aplicar regresiones linealesTransformar datos no lineales para aplicar regresiones lineales | Khan Academy en Español

Video 2: 46. Cómo calcular la PENDIENTE en ExcelCómo calcular la PENDIENTE en Excel

A partir de esta curva dosis-respuesta lineal se puede calcular la DL50 y la pendiente de la recta, que son los dos parámetros que podemos utilizar para comparar la toxicidad de dos sustancias diferentes.

Fig. 5. Linearizar una curva sigmoidea. Fuente

a) La determinación de la DL50 suele ser el primer experimento realizado con un producto químico nuevo. La DL50 se obtiene trazando una línea horizontal desde el 50% de mortalidad (en el eje de ordenadas) hasta la línea dosis-efecto. En el punto de intersección se traza una línea vertical que corta al eje de abscisas en un punto que corresponde a la DL50. De forma similar se podrían calcular las dosis letales para el 90% y 10% de la población (DL90 y DL10), pero en estos extremos de la curva el rango de valores determinados por los límites de confianza es mayor, aumentando la incertidumbre (inexactitud) del valor.

b) A partir de esta representación gráfica, puede obtenerse también la pendiente de la recta, que sirve para comparar la toxicidad de dos o más compuestos entre sí: a mayor pendiente mayor toxicidad. Pero la DL50 no es una constante biológica y de hecho son muchos los factores que pueden influir en su valor: raza, edad, peso, alimentación, método de administración, volumen y tipo de suspensión, duración de la observación, etc. Debido a la variabilidad inherente a la DL50 se admite en la actualidad que en general es suficiente con dar el valor con un rango de magnitud como por ej. de 5 a 50 mg/Kg, 50 a 500 mg/Kg, etc.

EJERCICIO 2: ¿Cuál de los dos productos b y c presentan mayor toxicidad y por qué? b ¿Qué producto es más tóxico a o c?

EJERCICIO 3: Interprete el gráfico adjunto relacionado con enzimología (aclarando el significado de las letras: A, B, c, d). ¿Hay algún paralelismo con los gráficos de estudio de toxicidad?

¿Cómo se pueden relacionar esta gráfica con el siguiente diagrama?

Solución: En la mayoría de las reacciones enzimáticas, la velocidad inicial va aumentando en función de la concentración de sustrato, hasta aproximarse de manera asintótica a un valor máximo. Se observa que, en la llamada “zona de saturación”, el incremento de V es apenas significativo por mucho que aumente [S].

A = velocidad máxima.

B = zona de saturación

C = constante de Michaelis-Menten (KM), es decir, la concentración de sustrato que se corresponde con la mitad de la velocidad máxima (D).

En los estudios de toxicidad las gráficas son similares porque hacen referencia a la interferencia entre la toxina y la enzima vital para el organismo.

EJERCICIO 4: Estas dos gráficas de toxicidad sobre el parásito Leishmania brazilensis, de los compuestos A y B. En abscisas (eje X) la concentración de un fármaco en mg/ml, en ordenadas (eje Y) el porcentaje de parásitos muertos. ¿Qué dos diferencias puedes observar entre el compuesto A y el B?

EJERCICIO 5: Frente a un parásito, sensible a un antiparasitario de primera generación y sensible a uno de última generación ¿Cuál sería tu opción terapéutica y por qué?

EJERCICIO 6: De forma sucinta ¿Por qué no es tan problemática ingerir una concentración alta de antibiótico comparado con la ingesta de un antiparasitario?

EJERCICIO 7: Esta es una típica gráfica dosis/respuesta. Se trata con Dalvabancina a la bacteria Staphylococcus haemolyticus y con Anidulafungina a Candida albicans, en el eje de abscisas (eje X) por separado (datos de las dos columnas de la izquierda). Cuando se crecen juntas (las dos columnas de la derecha) la bacteria y el hongo (biofilms polimicrobianos) vemos que cuando se trata a S. haemolyticus con dalvabancina (en rojo) se obtiene unos porcentajes de letalidad, cuando se trata a la Candida albicans con anidulafungina se obtienen otros. 

a) ¿Qué significan los subíndices 50, 80 y 90? Razona tu respuesta

b) b) ¿Por qué los resultados de la dalvabancina son los mismos cuando se administra a la bacteria S. haemolyticus creciendo sola (a la izquierda) o creciendo juntamente con Candida albicans (a la derecha)? 

c) C) ¿Por qué los valores para Candida albicans varía de cuando se le administra el antifúngico anidulafungina creciendo sola (a la izquierda) a cuando crece en presencia de S. haemolyticus?

d) ¿Por qué no se prueba el efecto de la anidulafungina en S. haemolyticus y no se prueba dalvabancina en Candida albicans?

Solución: copio literalmente la respuesta de una alumna que ya está al nivel del profesor :)

a) Subíndice50 = concentración inhibitoria al 50%, el la dosis necesarias para inhibir el 50% de la población microbiana. Subíndice80 = concentración inhibitoria al 80%, es la dosis necesaria para inhibir el 80% de la población microbiana. Subíndice 90 lo mismo para el 90% de la población. Nótese que es necesario más concentración de antimicrobiano para matar el 90% que para matar al 50%, como es lógico. Estos valores se utilizan para cuantificar la eficiencia de un tratamiento antimicrobiano.

b) La dalvabancina es un antibiótico específico contra la bacteria Gram positiva S. haemolyticus. Cuando se administra en el entorno polimicrobiano en donde está en presencia de C. albicans, el mecanismo de acción del antibiótico no se ve afectado por la presencia del hongo. Esto lo que indica es que la dalvabancina, de alguna manera, no tiene interferencia significativa por parte de C. albicans.

c) La variación de los valores de letalidad de Candida albicans cuando se administra anidulafungina en presencia de S. haemolyticus puede deberse a varios factores: 

    1. Interacciones microbianas = la presencia de la bacteria puede afectar el entorno microbiano y las condiciones de crecimiento y esto influye en la eficiencia del antifúngico.

    2. Producción de metabolitos. La bacteria podría producir metabolitos que alteren la permeabilidad de la biopelícula o la susceptibilidad de C. albicans a la anidulafungina

    3. Estructura de la biopelícula: la estructura de la biopelícula afecta a la difusión y la concentración local del antígeno.

d) No se prueba el efecto de la anidulafungina en S. haemolyticus ni la dalvabancina en C. albicans porque estos fármacos son específicos para hongos y bacterias respectivamente, es decir, antifúngicos no atacan las moléculas bacterianas ni los antibióticos las moléculas de los hongos.

EJERCICIO 8: La ruda: se usa como antiparasitario, antirreumático, para tratar problemas digestivos, para el “mal de ojo”...  Entre sus componentes esta una molécula perteneciente a la familia de las quinolonas. Se aísla esta molécula y cuando se le añade, por síntesis orgánica, un átomo de cloro se observa un que el Nivel Más Bajo de Efecto Adverso Observado (LOAEL) de esta molécula es A. Cuando se le añade, en vez de cloro, un átomo de fluor se observa que el LOAEL se sitúa en el punto B

Gráfica dosis-respuesta:

Eje X: Dosis de la sustancia, eje Y: Respuesta biológica o toxicológica

a) ¿Cuál consideras que sería mejor medicamento humano A o B y por qué?

b) ¿Se podría modificar las moléculas para que su LOAEL sea más bajo? ¿Cómo?

c) ¿Existe diferencias en la DL50 entre la cloro-quinolona y la fluoro-quinolona? ¿Por qué?

Solución: 

a) A, porque el Nivel Más Bajo de Efecto Adverso Observado (LOAEL) es el nivel de exposición más bajo en el que hay aumentos biológicamente significativos en la frecuencia o gravedad de los efectos adversos entre la población expuesta y su grupo de control apropiado. Un LOAEL más alto indica una menor toxicidad sistémica o una menor toxicidad crónica

EJERCICIO 9:  La siguiente gráfica dosis /respuesta. Eje X: Dosis de la sustancia. Eje Y: Respuesta biológica o toxicológica. 

EJERCICIO 10:  Eje X: Dosis de la sustancia. Eje Y: Respuesta biológica o toxicológica

Tenemos dos productos A y B. Ambos comparten la misma curva dosis/respuesta. El producto A tiene un Nivel Sin Efecto Adverso Observado (NOAEL) representado en el punto situado en la A de la gráfica. El NOAEL del producto B está representado por la letra B en la gráfica 

a) ¿Cuál consideras que sería mejor medicamento humano A o B y por qué?

b) ¿Se podría modificar las moléculas para que su NOAEL sea más bajo? ¿Cómo?

EJERCICIO 11: La ivermectina es un antiparasitario eficaz frente a numerosos nematodos, así como frente a ectoparásitos de diversas especies animales. Este compuesto tiene un amplio margen de seguridad en cerdos, éste es al menos 10 veces la dosis terapéutica.  A) Imaginemos que la LD50 para un cerdo es de 30 ug/Kg si la ED50 es 10 veces menor ¿Cuánto equivale la ED50?

B) En la gráfica podemos ver como la eficacia al 99% corta la curva dosis/respuesta de letalidad en animales de experimentación (imaginemos un cerdo como animal de experimentación). ¿Cómo se podría definir ese punto de corte? ¿NOAEL, LOAEL? Razona tu respuesta

Solución: A) la décima parte de algo es ese algo dividido por diez, por tanto 3 ug/Kg B) Si la ED99 corta a la curva de dosis respuesta de la LD50 quiere decir que a esa concentración ya está produciendo daño en los animales de experimentacicón, por lo tanto NOAEL no va a ser, entones será LOAEL

Para saber más:

Ejercicios enzimas