Como os pesquisadores determinam a toxicidade de uma substância química?

A avaliação da toxicidade de substâncias químicas é um processo complexo que combina diferentes abordagens científicas. Este artigo analisa os principais métodos utilizados e as alternativas que visam reduzir o uso de animais nesse tipo de estudo.

Em nível global, há uma grande quantidade de substâncias químicas registradas para produção e uso. No entanto, apenas uma parte delas foi avaliada em profundidade em termos de toxicidade, devido a fatores como custos, prazos de avaliação, considerações éticas e limitações regulatórias.

Para proteger a saúde pública, órgãos como a Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos, a Administração de Alimentos e Medicamentos dos Estados Unidos e a Agência Europeia de Substâncias Químicas avaliam a segurança de substâncias potencialmente perigosas às quais as pessoas podem estar expostas.

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Entre elas estão compostos orgânicos voláteis, como o formaldeído; poluentes atmosféricos, como o dióxido de nitrogênio; substâncias presentes em produtos de consumo, como o bisfenol A; e herbicidas, como a atrazina. Nos últimos anos, as chamadas substâncias persistentes no meio ambiente, como o ácido perfluorooctanosulfônico e o ácido perfluorobutanosulfônico, também ganharam destaque devido ao seu potencial impacto na saúde humana.

Apesar desses avanços, existem milhares de substâncias utilizadas pela indústria que ainda não foram avaliadas de forma exaustiva. Por isso, costumam ser priorizadas para estudo com base em critérios como o nível de exposição, o risco potencial e a viabilidade da análise.

Testes de toxicidade e segurança química

Historicamente, a avaliação da segurança das substâncias químicas tem sido realizada por meio de ensaios biológicos, também conhecidos como bioensaios. Esses ensaios consistem em expor animais não humanos, geralmente roedores como ratos ou camundongos, a uma substância em condições controladas para observar seus efeitos biológicos e possíveis riscos.

Esses estudos são elaborados para analisar diferentes tipos de efeitos, incluindo aqueles de aparecimento imediato, os associados a exposições de curto e longo prazo e os efeitos reprodutivos ou no desenvolvimento. Sua utilização baseia-se na premissa de que os resultados podem fornecer informações relevantes para estimar os possíveis efeitos em seres humanos. No entanto, essa abordagem apresenta limitações importantes.

Uma das principais dificuldades é a extrapolação de resultados entre espécies. Existem diferenças na anatomia, fisiologia, bioquímica e genética que podem influenciar a forma como uma substância afeta animais e seres humanos. Em alguns casos, compostos que se mostram altamente tóxicos para as pessoas podem não causar os mesmos efeitos em outras espécies.

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Além disso, esses estudos envolvem custos elevados e longos prazos. Por exemplo, uma série completa de testes toxicológicos pode levar vários anos e exigir um investimento significativo, o que limita o número de substâncias que podem ser avaliadas em profundidade.

Também há preocupações éticas em relação ao uso de animais para avaliar a toxicidade de substâncias químicas. Em resposta a isso, diversas agências governamentais e entidades privadas têm promovido estratégias voltadas para substituir, reduzir ou aperfeiçoar o uso desses animais em pesquisas e testes.

Nesse contexto, foram desenvolvidas diversas alternativas para avaliar a segurança química sem recorrer a animais. Essas alternativas são conhecidas como metodologias de nova abordagem e buscam gerar resultados relevantes para os seres humanos, com bases científicas sólidas. Além disso, visam ser mais eficientes em termos de tempo e custos, e ter uma aplicação mais ampla em diversos contextos.

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Testes in vitro

Os testes in vitro consistem em expor materiais biológicos, como células humanas ou microrganismos, a diferentes concentrações de uma substância química para avaliar seus efeitos. Esse tipo de ensaio permite um maior controle das condições experimentais, facilita a obtenção de resultados em menos tempo e permite analisar várias substâncias simultaneamente.

Programas como o ToxCast, desenvolvido pela Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos, utilizam esse tipo de metodologia para estudar milhares de substâncias químicas.

Existem diferentes tipos de testes in vitro, cada um voltado para avaliar aspectos específicos da toxicidade. Por exemplo, os ensaios de viabilidade celular analisam o impacto de uma substância na sobrevivência e no crescimento das células; os ensaios de genotoxicidade determinam se ela pode causar danos ao material genético; e os ensaios de ligação a receptores avaliam a interação de substâncias químicas com proteínas específicas, o que poderia desencadear efeitos adversos.

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Um tipo de modelo celular in vitro é representado pelas culturas organotípicas, derivadas de tecidos ou órgãos reais. Esses modelos conservam características estruturais e funcionais do tecido de origem. Também existem modelos tridimensionais gerados a partir de células que se auto-organizam, como os organoides e os tecidos bioimpressos, que podem ser adaptados para representar órgãos específicos, como o fígado, a pele ou o coração.

Por outro lado, os sistemas microfisiológicos, conhecidos como “órgãos em chip”, utilizam culturas celulares tridimensionais em miniatura para simular o funcionamento de diversos órgãos, como o fígado, o coração ou os pulmões. Por meio desses modelos, é possível avaliar a toxicidade de uma substância em diversos sistemas, bem como seu metabolismo e possíveis efeitos no organismo.

Esse tipo de metodologia permite estudar o impacto das substâncias químicas de forma mais integrada, superando as limitações dos modelos que analisam os órgãos isoladamente.

Métodos in chemico

Os ensaios in chemico são experimentos de laboratório que analisam como as substâncias químicas interagem com componentes biológicos, como proteínas ou lipídios, em sistemas controlados fora de um organismo. Esse tipo de teste permite estudar os mecanismos básicos de interação química em condições simplificadas.

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Em comparação com os métodos in vitro, os ensaios in chemico costumam ser mais rápidos e exigem menos recursos. Além disso, não utilizam células nem tecidos vivos, o que reduz as questões éticas associadas a outras abordagens.

No entanto, sua relevância biológica é limitada, uma vez que não permitem representar o funcionamento de um organismo completo. Por isso, não são adequados para avaliar efeitos mais complexos da toxicidade, como o impacto em funções celulares integrais ou em sistemas biológicos completos.

Métodos in silico

Um aspecto fundamental na avaliação da toxicidade é determinar em que dose uma substância começa a causar efeitos adversos, o que é conhecido como farmacodinâmica. Além disso, é importante compreender como ela se distribui no organismo, por quanto tempo permanece ativa e em que concentração atinge os diferentes tecidos — processos associados à farmacocinética.

Quando há informações experimentais limitadas, os pesquisadores recorrem a modelos computacionais ou métodos in silico. Esses métodos permitem estimar a relação dose-resposta a partir da comparação com substâncias de estrutura semelhante, partindo do pressuposto de que compostos com características químicas semelhantes podem gerar efeitos biológicos comparáveis.

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Entre essas abordagens estão os modelos farmacocinéticos de base fisiológica, que simulam o comportamento de uma substância no organismo, dividindo o corpo em compartimentos, como fígado, rins ou sangue. Também existem modelos de tecidos virtuais e outras ferramentas que permitem antecipar possíveis efeitos adversos.

Os métodos in silico apresentam diversas vantagens: são rápidos, eficientes e permitem simular cenários complexos que seriam difíceis de reproduzir experimentalmente. Além disso, podem ser facilmente replicados e ajudam a preencher lacunas de dados. No entanto, sua precisão depende da qualidade dos modelos e das informações disponíveis, e ainda existem desafios para sua validação e uso em contextos regulatórios.

Aprovação regulatória

O desenvolvimento de regulamentações que incorporem alternativas aos testes em animais continua em evolução e varia de acordo com o tipo de produto e o contexto regulatório.

Organizações internacionais têm avançado nessa área. Por exemplo, a Organização para a Cooperação e o Desenvolvimento Econômico elaborou diretrizes para avaliar os efeitos das substâncias químicas na saúde humana e no meio ambiente.

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Além disso, iniciativas de cooperação internacional têm buscado promover a validação e a adoção de métodos alternativos, com o objetivo de garantir que sejam cientificamente sólidos, confiáveis e aplicáveis na tomada de decisões regulatórias.

Esta nota foi gentilmente traduzida por Gaby, do Te Protejo. Você pode conferir o conteúdo em inglês neste link.

Nesse cenário, o desenvolvimento de metodologiasde novas abordagens continua sendo fundamental para avançar em direção a modelos que reduzam o uso de animais. Aprofundar-se nessas abordagens permite compreender seu alcance na avaliação da segurança química.