Unidad tóxica

Las unidades tóxicas ( TU ) se utilizan en el campo de la toxicología para cuantificar las interacciones de los tóxicos en mezclas binarias de sustancias químicas. ^[1] Una unidad tóxica para un compuesto determinado se basa en la concentración en la que hay un efecto del 50% (p. ej. EC50 ) para un determinado punto final biológico. Una unidad tóxica es igual a la EC50 para un punto final determinado para un efecto biológico específico durante una cantidad de tiempo determinada. Las unidades tóxicas permiten la comparación de las toxicidades individuales de una mezcla binaria con la toxicidad combinada. Esto permite a los investigadores categorizar las mezclas como aditivas, sinérgicas o antagónicas. El sinergismo y el antagonismo se definen por mezclas que son más o menos tóxicas de lo previsto por la suma de sus unidades tóxicas.

Los contaminantes se encuentran frecuentemente presentes en el medio ambiente en forma de mezclas. Las decisiones regulatorias se basan en modelos de toxicidad de mezclas que suponen la aditividad, lo que puede dar lugar a una subestimación o sobreestimación de los efectos tóxicos. Perfeccionar nuestra comprensión de las interacciones de las mezclas puede conducir a una gestión ambiental y una toma de decisiones mejor informadas. Además, el estudio de las interacciones de las mezclas puede dilucidar los mecanismos de acción de sustancias tóxicas específicas que, en muchos casos, son poco conocidas.

La aplicación de unidades tóxicas requiere datos de toxicidad para los componentes individuales de la mezcla, así como datos especializados de toxicidad de la mezcla. La evaluación de la respuesta de cada sustancia química individual permite a los investigadores generar una nueva métrica de dosificación, las unidades tóxicas, que está estandarizada para la toxicidad de cada sustancia química. Dado que la toxicidad de dos compuestos puede variar ampliamente, una unidad tóxica de dos compuestos diferentes podría corresponder a dos concentraciones muy diferentes en términos de masa. Además de la toxicidad de los componentes individuales, el uso de unidades tóxicas requiere una serie de concentración de diseño factorial 2x2 donde la respuesta se mide a un aumento de cada contaminante mientras el otro contaminante se mantiene constante. Esta elaborada serie de concentración permite a los investigadores describir cómo interactúan los componentes de la mezcla entre sí y predecir los efectos en componentes de combinaciones no probados con modelos de regresión no lineal.

La estimación puntual es una técnica para predecir parámetros de población en función de los datos de muestra disponibles y se puede utilizar para relacionar la concentración basada en la masa con una métrica basada en la toxicidad. Las estimaciones puntuales en toxicología son con frecuencia puntos finales de respuesta en una curva de respuesta a la dosis . Estas estimaciones puntuales predicen a qué concentración se esperaría ver un punto final biológico dado, como una mortalidad del 50 % ( CL50 ). Cualquier punto final toxicológico (inhibición del crecimiento, reproducción, comportamiento, etc.) se puede utilizar como métrica de toxicidad para convertir de concentración basada en la masa a unidades tóxicas.

Las estimaciones puntuales se generan ajustando un modelo de regresión no lineal a los datos de toxicidad y utilizando ese modelo para predecir la concentración de sustancia química necesaria para obtener una respuesta conocida del punto final biológico.

El investigador puede definir una unidad tóxica como la concentración de una sustancia química determinada necesaria para producir un resultado toxicológico determinado ( CL50 , CE50 , IC50 ).

1TU=LC50 o 1TU=IC50 para inhibición del crecimiento

Dado que las concentraciones molares o de masa de diferentes sustancias químicas necesarias para producir un punto final determinado, como una CL50, pueden variar ampliamente, la concentración que corresponde a 1TU es específica para cada sustancia química individual analizada.

Los isobologramas son una forma de presentar los resultados de las pruebas de toxicidad de mezclas binarias basadas en unidades tóxicas. ^[2] La fortaleza de este método es su simplicidad y facilidad de uso. Primero se traza una línea de aditividad que corresponde a todas las combinaciones de los dos productos químicos que darían como resultado una unidad tóxica. A continuación, se trazan los resultados experimentales de las pruebas de mezcla binaria en el isobolograma. Los resultados de la prueba de mezcla son estimaciones puntuales de las curvas de respuesta a la dosis de la mezcla que corresponden a las pruebas de una sola sustancia química. Cuando estas estimaciones puntuales de la mezcla se trazan en el isobolograma, la región en la que caen (según las concentraciones de los dos productos químicos necesarios para provocar ese punto final determinado) demuestra si las interacciones de la mezcla son aditivas , sinérgicas o antagónicas .

Las superficies de respuesta son una forma más avanzada y compleja de visualizar la misma información presentada en un isobolograma. Una superficie de respuesta es un gráfico tridimensional con concentraciones de componentes individuales en unidades tóxicas en los ejes x e y y la variable de respuesta en el eje z. Esta representación tridimensional de la respuesta de los organismos a los dos factores de estrés químicos se puede utilizar para predecir la toxicidad de cualquier combinación de los componentes en función de los modelos de regresión no lineal que forman la superficie de respuesta. ^[2]

La utilidad principal de las unidades tóxicas es clasificar las interacciones de mezclas como aditivas, sinérgicas o antagónicas. La aditividad significa que la toxicidad de la mezcla es igual a la suma de las toxicidades de los componentes individuales. La aditividad es el supuesto predeterminado de los modelos utilizados para predecir la toxicidad de las mezclas con fines regulatorios y de gestión ambiental. Los efectos sinérgicos ocurren cuando la toxicidad experimental de la mezcla es mayor que la suma de las toxicidades individuales. Por el contrario, los efectos antagónicos ocurren cuando la toxicidad experimental de una mezcla es menor de lo que se predeciría por la aditividad. Comprender las interacciones de las mezclas puede evitar la sobrestimación o subestimación de la toxicidad por parte de los reguladores que suponen la aditividad para mezclas no categorizadas.

La EPA de los EE. UU. utiliza unidades tóxicas como punto de referencia, llamado punto de referencia de sedimento de partición de equilibrio (ESB) , para predecir la toxicidad de los sedimentos contaminados con hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) para los invertebrados bentónicos. ^[3] Las unidades tóxicas se calculan a partir de las concentraciones de sedimentos de 34 HAP y su comportamiento esperado de partición de sedimentos, agua y lípidos. Con base en el enfoque de partición de equilibrio (que tiene en cuenta la disponibilidad biológica variable de sustancias químicas en diferentes sedimentos), el ESB para el total de HAP es la suma de los cocientes de un mínimo de cada uno de los 34 HAP individuales en un sedimento específico, dividido por la concentración de valor crónico final para cada HAP específico en el sedimento. Según la EPA, los sedimentos de agua dulce o salada que contienen menos o igual a 1,0 unidades tóxicas de la mezcla de los 34 HAP o más HAP son aceptables para la protección de los organismos bentónicos. Los sedimentos que son mayores a 1,0 unidades tóxicas no son protectores y potencialmente tienen efectos adversos para los organismos bentónicos.

Los ESB de la EPA no consideran los efectos antagónicos, aditivos o sinérgicos de otros contaminantes de sedimentos y han sido criticados como una estimación demasiado conservadora para los HAP pirogénicos (como los de los procesos de plantas de gas manufacturado) cuando solo se miden 13 HAP originales, debido al factor de corrección utilizado para tener en cuenta los HAP no medidos. ^[4] Esto se debe en parte a los enfoques analíticos para determinar las unidades tóxicas para los HAP pirogénicos y petrogénicos.

La evaluación de identificación de toxicidad (TIE) es un método para caracterizar, identificar y confirmar sistemáticamente sustancias tóxicas en sedimentos completos y aguas intersticiales de sedimentos. ^[5] Este método lo lleva a cabo normalmente la EPA. Los datos de concentración del efecto del efluente y los datos de concentración de tóxicos medidos se transforman en unidades tóxicas para el análisis de regresión a fin de evaluar si existe una relación lineal entre dos o más tóxicos. ^[6]

Las limitaciones asociadas con el uso de unidades tóxicas dependen en gran medida de la metodología en la que se utilicen. Por ejemplo, el uso de isobologramas es aplicable solo a mezclas binarias. En general, las unidades tóxicas se basan en estimaciones puntuales que están limitadas por la proyección. Las estimaciones puntuales, y por lo tanto las unidades tóxicas, son una simplificación de un modelo dosis-respuesta . La información sobre los efectos tóxicos en concentraciones distintas a la estimación puntual se pierde en la traducción.

Un método común para estudiar mezclas es medir la toxicidad total de la mezcla y considerar las interacciones tóxicas internas como irrelevantes. ^[2] Cualquier efecto de la mezcla se tiene en cuenta en la toxicidad total. Los resultados de este método están limitados por ser específicos de la mezcla y tienen un valor limitado para determinar mecanismos específicos de toxicidad.

El uso de modelos lineales generalizados (GLM) permite un ajuste de modelos complejos y no paramétricos para describir las mezclas de toxicidad compleja. Los modelos lineales generalizados tienen más probabilidades de encontrar diferencias significativas en la aditividad que los enfoques TU. ^[7] El enfoque GLM también permite la alteración de los modelos para reflejar el conocimiento actual de los mecanismos biológicos ^[8]