Una gran cantidad de sustancias químicas están registradas para su producción y uso en todo el mundo. Sin embargo, solo una parte ha sido evaluada exhaustivamente en cuanto a su toxicidad debido a plazos, costos, consideraciones éticas y limitaciones regulatorias.

Para proteger la salud pública, investigadores de organizaciones como la Agencia de Protección Ambiental de EE.UU., la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE.UU. y la Agencia Europea de Sustancias Químicas evalúan la seguridad de las sustancias químicas potencialmente peligrosas con las que las personas probablemente entren en contacto sustancial. Estas incluyen compuestos orgánicos volátiles como el formaldehído, contaminantes atmosféricos como el dióxido de nitrógeno, sustancias químicas de consumo como el bisfenol A y herbicidas como la atrazina. Recientemente, las "sustancias químicas permanentes" que persisten en el medio ambiente, como el ácido perfluorooctanosulfónico (PFOS) y el ácido perfluorobutano sulfónico (PFBS), han sido el foco de evaluaciones de toxicidad humana.

Existen miles de otras sustancias químicas utilizadas por la industria que no se han sometido a pruebas exhaustivas. Para ser eficientes y rentables, estas sustancias químicas se priorizan para realizar pruebas específicas.

Pruebas de toxicidad y seguridad química

Históricamente, los investigadores han evaluado la seguridad y toxicidad de las sustancias químicas mediante ensayos biológicos o bioensayos. Estas pruebas implican la exposición de animales no humanos, a menudo roedores como ratas o ratones, a una sustancia en condiciones controladas para estudiar sus efectos biológicos, incluyendo sus posibles daños.

Se diseñan diferentes tipos de estudios para analizar los diferentes efectos de las sustancias químicas. Estos incluyen efectos inmediatos, efectos de la exposición tanto a corto como a largo plazo, y efectos reproductivos o de desarrollo. La premisa clave del uso de bioensayos en animales es que los investigadores pueden usar los resultados para ayudar a comprender la seguridad de la sustancia química para las personas. Sin embargo, existen limitaciones significativas en el uso de animales para realizar estos estudios.

En primer lugar, puede ser difícil extrapolar los resultados obtenidos de animales de laboratorio a los humanos. Existen diferencias notables en anatomía, fisiología, bioquímica y genética entre los animales de laboratorio y las personas. En algunos casos, una sustancia química altamente tóxica para los humanos puede ser relativamente inocua para otras especies. Además, incluso dentro de una misma especie, puede haber diferencias significativas en la forma en que el cuerpo descompone las moléculas, un proceso crucial para determinar la toxicidad de una sustancia química. También puede resultar costoso realizar investigaciones con animales. Por ejemplo, una batería completa de pruebas toxicológicas para un pesticida puede costar entre 8 y 16 millones de dólares. Muchos de estos estudios requieren mucho tiempo, algunos pueden requerir hasta dos años.

También existen preocupaciones éticas sobre el uso de animales para evaluar la toxicidad de las sustancias químicas. Muchas agencias gubernamentales y entidades comerciales se han comprometido a implementar medidas para reemplazar, reducir o refinar el uso de animales en la investigación y las pruebas.

Los investigadores están desarrollando diversas maneras de reemplazar las pruebas con animales en la evaluación de la seguridad química. A menudo denominadas metodologías de nuevo enfoque, estos métodos buscan ser relevantes para los humanos y científicamente claros. También buscan ser rentables, rápidos y de amplia aplicación.

Pruebas in vitro

Las pruebas in vitro implican la exposición de materiales biológicos, como células humanas o microorganismos, a diferentes concentraciones de una sustancia química de interés. Estas pruebas ofrecen varias ventajas, como un fácil control de las condiciones experimentales, su aplicabilidad a personas y la capacidad de estudiar rápidamente muchas sustancias químicas a la vez. El programa ToxCast de la EPA utiliza datos de pruebas in vitro para estudiar miles de sustancias químicas.

Existen numerosos tipos de pruebas in vitro, cada uno de los cuales estudia una cualidad específica asociada con la toxicidad. Por ejemplo, los ensayos de viabilidad celular miden el efecto de una sustancia química en la supervivencia y el crecimiento celular. Los ensayos de genotoxicidad evalúan si una sustancia química puede dañar el material genético. Y los ensayos de unión a receptores evalúan si las sustancias químicas pueden interactuar con proteínas específicas en las células y desencadenar efectos nocivos.

Un tipo de modelo celular in vitro son los cultivos organotípicos derivados de tejidos u órganos reales. Estos modelos conservan las características estructurales y funcionales de su tejido original. Otros modelos celulares se originan a partir de células que se autoorganizan en tres dimensiones. Algunos ejemplos son los organoides y los tejidos bioimpresos, que pueden personalizarse para representar tejidos específicos, como el hígado, la piel y el corazón.

Los sistemas microfisiológicos, o modelos de órganos en un chip, utilizan cultivos 3D en miniatura de células de diversos órganos, como el hígado, el corazón y los pulmones, para simular el funcionamiento de estos órganos en el cuerpo. Con estos modelos, los investigadores pueden evaluar la toxicidad de una sustancia química para múltiples órganos, su degradación en el organismo y su potencial para causar enfermedades. Esta técnica permite estudiar los efectos de las sustancias químicas en el organismo de forma más realista y holística que con modelos específicos para cada órgano.

Métodos in chemico

Los ensayos in chemico son pruebas o experimentos de laboratorio que examinan cómo las sustancias químicas interactúan con proteínas, lípidos u otros componentes celulares en un tubo de ensayo u otra plataforma sintética. Son ideales para estudiar los mecanismos subyacentes a las interacciones químicas.

En comparación con los sistemas in vitro, los ensayos in-químicos pueden ser más rápidos y rentables. Además, pueden ser preferibles desde el punto de vista ético, ya que no se utilizan células ni tejidos vivos.

Sin embargo, su relevancia biológica puede ser limitada, ya que no permiten explicar cómo funcionarían estas sustancias químicas en un organismo vivo. Tampoco son adecuados para estudiar muchos aspectos de la toxicidad química, como su efecto sobre la función general de una célula o del organismo.

Métodos in silico

Un aspecto clave para evaluar la toxicidad de una sustancia química es saber a qué dosis comienza a causar efectos no deseados en el organismo, lo que se conoce como farmacodinámica. Otro punto importante es cuánto de esa sustancia realmente llega al lugar donde actúa en el cuerpo y cuánto tiempo permanece allí; esto se llama farmacocinética. Cuando se dispone de poca o ninguna información experimental con respecto a la farmacodinámica o farmacocinética de una sustancia química, los investigadores suelen recurrir a modelos informáticos o métodos in silico. La predicción de la dosis-respuesta de una sustancia química suele basarse en la idea de que las sustancias químicas con estructuras similares tendrán efectos biológicos similares. Por lo tanto, si un investigador dispone de datos sobre sustancias químicas con una estructura similar a la de una sustancia química de interés, los modelos computacionales podrían estimar cómo afectará al organismo.

Los científicos suelen utilizar los denominados modelos farmacocinéticos de base fisiológica para predecir cómo un fármaco circula por el organismo. Este enfoque divide matemáticamente el cuerpo en compartimentos, como el hígado, los riñones o la sangre, y simula cómo la sustancia química se desplaza entre ellos en función de sus propiedades y la fisiología del organismo. Otros enfoques in silico, como los modelos de tejidos virtuales y las vías cuantitativas de efectos adversos, proporcionan información adicional sobre cómo las sustancias químicas causan efectos adversos para la salud.

Los métodos in silico ofrecen muchas ventajas sobre los métodos tradicionales. Son más rápidos y eficientes, y los investigadores pueden adaptar las pruebas virtuales para simular con mayor precisión escenarios que de otro modo serían inviables. Además, son fácilmente replicables en diferentes laboratorios y pueden ayudar a subsanar la falta de datos. Sin embargo, los métodos in silico también presentan varias desventajas. Entre ellas se incluyen una menor precisión con modelos defectuosos, la necesidad de datos experimentales para desarrollar modelos y la falta de estándares para evaluar si los modelos in silico son lo suficientemente creíbles como para ser utilizados en la regulación.

Aceptación regulatoria

Los responsables políticos aún están desarrollando regulaciones para evaluar alternativas a las pruebas con animales para detectar toxicidad química. Estas regulaciones varían según los productos y organismos. Por ejemplo, la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos (OCDE), que comprende 38 países miembros, ha publicado cerca de 100 directrices sobre la evaluación de los efectos químicos en la salud humana y el medio ambiente.

La Cooperación Internacional sobre Métodos de Ensayo Alternativos se creó para facilitar la evaluación de la toxicidad química. Las numerosas organizaciones asociadas a esta alianza se esfuerzan por garantizar que los métodos alternativos sean científicamente sólidos, fiables y relevantes para la salud humana y la seguridad ambiental, y que puedan utilizarse para sustituir las pruebas con animales en la toma de decisiones regulatorias.

Con una regulación clara y la colaboración global, las alternativas a las pruebas con animales pueden contribuir al avance de la salud pública, la seguridad ambiental y las prácticas éticas de prueba.

Esta nota fue amablemente traducida por Gaby.

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