¿Cómo determinan los investigadores la toxicidad de una sustancia química?

La evaluación de la toxicidad de sustancias químicas es un proceso complejo que combina distintos enfoques científicos. En esta nota se revisan los principales métodos utilizados y las alternativas que buscan reducir el uso de animales en este tipo de estudios.

A nivel global, existe una gran cantidad de sustancias químicas registradas para su producción y uso. Sin embargo, solo una parte ha sido evaluada en profundidad en términos de toxicidad, debido a factores como costos, tiempos de evaluación, consideraciones éticas y limitaciones regulatorias.

Para proteger la salud pública, organismos como la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos, la Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos y la Agencia Europea de Sustancias Químicas evalúan la seguridad de sustancias potencialmente peligrosas a las que las personas pueden estar expuestas.

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Entre ellas se encuentran compuestos orgánicos volátiles, como el formaldehído; contaminantes atmosféricos, como el dióxido de nitrógeno; sustancias presentes en productos de consumo, como el bisfenol A; y herbicidas como la atrazina. En los últimos años, también han cobrado relevancia las denominadas sustancias persistentes en el ambiente, como el ácido perfluorooctanosulfónico y el ácido perfluorobutano sulfónico, debido a su impacto potencial en la salud humana.

A pesar de estos avances, existen miles de sustancias utilizadas por la industria que no han sido evaluadas de manera exhaustiva. Por ello, suelen priorizarse para su estudio en función de criterios como su nivel de exposición, potencial riesgo y viabilidad de análisis.

Pruebas de toxicidad y seguridad química

Históricamente, la evaluación de la seguridad de las sustancias químicas se ha realizado mediante ensayos biológicos, también conocidos como bioensayos. Estos consisten en exponer a animales no humanos, generalmente roedores como ratas o ratones, a una sustancia en condiciones controladas para observar sus efectos biológicos y posibles riesgos.

Estos estudios se diseñan para analizar distintos tipos de efectos, incluyendo aquellos de aparición inmediata, los asociados a exposiciones de corto y largo plazo, y los efectos reproductivos o del desarrollo. Su uso se basa en la premisa de que los resultados pueden aportar información relevante para estimar los posibles efectos en humanos. Sin embargo, este enfoque presenta limitaciones importantes.

Una de las principales dificultades es la extrapolación de resultados entre especies. Existen diferencias en anatomía, fisiología, bioquímica y genética que pueden influir en la forma en que una sustancia afecta a animales y humanos. En algunos casos, compuestos que resultan altamente tóxicos para las personas pueden no generar los mismos efectos en otras especies.

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Además, estos estudios implican altos costos y tiempos prolongados. Por ejemplo, una batería completa de pruebas toxicológicas puede requerir varios años y una inversión significativa, lo que limita la cantidad de sustancias que pueden ser evaluadas en profundidad.

También existen preocupaciones éticas en torno al uso de animales para evaluar la toxicidad de las sustancias químicas. En respuesta, diversas agencias gubernamentales y entidades privadas han impulsado estrategias orientadas a reemplazar, reducir o refinar su uso en investigación y ensayos.

En este contexto, se han desarrollado distintas alternativas para evaluar la seguridad química sin recurrir a animales. Estas se conocen como metodologías de nuevo enfoque y buscan generar resultados relevantes para humanos, con bases científicas sólidas. Además, apuntan a ser más eficientes en términos de tiempo y costos, y a tener una aplicación más amplia en distintos contextos.

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Pruebas in vitro

Las pruebas in vitro consisten en exponer materiales biológicos, como células humanas o microorganismos, a distintas concentraciones de una sustancia química para evaluar sus efectos. Este tipo de ensayos permite un mayor control de las condiciones experimentales, facilita la obtención de resultados en menor tiempo y permite analizar múltiples sustancias de manera simultánea.

Programas como ToxCast, desarrollado por la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos, utilizan este tipo de metodologías para estudiar miles de sustancias químicas.

Existen distintos tipos de pruebas in vitro, cada una orientada a evaluar aspectos específicos de la toxicidad. Por ejemplo, los ensayos de viabilidad celular analizan el impacto de una sustancia en la supervivencia y el crecimiento de las células; los ensayos de genotoxicidad determinan si puede dañar el material genético; y los ensayos de unión a receptores evalúan la interacción de sustancias químicas con proteínas específicas, lo que podría desencadenar efectos adversos.

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Un tipo de modelo celular in vitro corresponde a los cultivos organotípicos, derivados de tejidos u órganos reales. Estos modelos conservan características estructurales y funcionales del tejido de origen. También existen modelos tridimensionales generados a partir de células que se autoorganizan, como los organoides y los tejidos bioimpresos, que pueden adaptarse para representar órganos específicos como hígado, piel o corazón.

Por otro lado, los sistemas microfisiológicos, conocidos como órganos en un chip, utilizan cultivos celulares tridimensionales en miniatura para simular el funcionamiento de distintos órganos, como el hígado, el corazón o los pulmones. A través de estos modelos, es posible evaluar la toxicidad de una sustancia en múltiples sistemas, así como su metabolismo y posibles efectos en el organismo.

Este tipo de metodologías permite estudiar el impacto de las sustancias químicas de forma más integrada, superando las limitaciones de los modelos que analizan órganos de manera aislada.

Métodos in chemico

Los ensayos in chemico son experimentos de laboratorio que analizan cómo las sustancias químicas interactúan con componentes biológicos, como proteínas o lípidos, en sistemas controlados fuera de un organismo. Este tipo de pruebas permite estudiar los mecanismos básicos de interacción química en condiciones simplificadas.

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En comparación con los métodos in vitro, los ensayos in chemico suelen ser más rápidos y requieren menos recursos. Además, no utilizan células ni tejidos vivos, lo que reduce cuestionamientos éticos asociados a otros enfoques.

No obstante, su relevancia biológica es limitada, ya que no permiten representar el funcionamiento de un organismo completo. Por ello, no son adecuados para evaluar efectos más complejos de la toxicidad, como el impacto en funciones celulares integrales o en sistemas biológicos completos.

Métodos in silico

Un aspecto clave en la evaluación de la toxicidad es determinar a qué dosis una sustancia comienza a generar efectos adversos, lo que se conoce como farmacodinámica. Asimismo, es relevante comprender cómo se distribuye en el organismo, cuánto tiempo permanece activa y en qué concentración alcanza los distintos tejidos, procesos asociados a la farmacocinética.

Cuando existe información experimental limitada, los investigadores recurren a modelos computacionales o métodos in silico. Estos permiten estimar la relación dosis-respuesta a partir de la comparación con sustancias de estructura similar, bajo el supuesto de que compuestos con características químicas parecidas pueden generar efectos biológicos comparables.

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Entre estos enfoques se encuentran los modelos farmacocinéticos de base fisiológica, que simulan el comportamiento de una sustancia en el organismo dividiendo el cuerpo en compartimentos, como hígado, riñones o sangre. También existen modelos de tejidos virtuales y otras herramientas que permiten anticipar posibles efectos adversos.

Los métodos in silico presentan diversas ventajas: son rápidos, eficientes y permiten simular escenarios complejos que serían difíciles de reproducir experimentalmente. Además, pueden replicarse fácilmente y contribuir a complementar la falta de datos. Sin embargo, su precisión depende de la calidad de los modelos y de la información disponible, y aún existen desafíos para su validación y uso en contextos regulatorios.

Aceptación regulatoria

El desarrollo de normativas que incorporen alternativas a la experimentación en animales continúa en evolución y varía según el tipo de producto y el contexto regulatorio.

Organismos internacionales han avanzado en este ámbito. Por ejemplo, la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos ha desarrollado directrices para evaluar los efectos de sustancias químicas en la salud humana y el medio ambiente.

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Asimismo, iniciativas de cooperación internacional han buscado promover la validación y adopción de métodos alternativos, con el objetivo de garantizar que sean científicamente sólidos, confiables y aplicables en la toma de decisiones regulatorias.

Esta nota fue amablemente traducida por Gaby de Te Protejo. Puedes revisar el contenido en inglés en este enlace.

En este escenario, el desarrollo de metodologías de nuevo enfoque continúa siendo clave para avanzar hacia modelos que reduzcan el uso de animales. Profundizar en estos enfoques permite comprender su alcance en la evaluación de seguridad química.