La genotoxicidad es la propiedad de los agentes químicos que dañan la información genética dentro de una célula causando mutaciones , que pueden conducir al cáncer . Si bien la genotoxicidad a menudo se confunde con la mutagenicidad , todos los mutágenos son genotóxicos, pero algunas sustancias genotóxicas no son mutagénicas. La alteración puede tener efectos directos o indirectos en el ADN: la inducción de mutaciones, la activación de eventos inoportunos y el daño directo del ADN que conduce a mutaciones. Los cambios permanentes y hereditarios pueden afectar tanto a las células somáticas del organismo como a las células germinales que se transmitirán a las generaciones futuras. [1] Las células evitan la expresión de la mutación genotóxica mediante la reparación del ADN o la apoptosis ; sin embargo, el daño puede no siempre repararse, lo que conduce a la mutagénesis .
Para detectar moléculas genotóxicas, los investigadores analizan el daño del ADN en las células expuestas a los sustratos tóxicos. Este daño del ADN puede presentarse en forma de roturas de cadena simple o doble, pérdida de la reparación por escisión, reticulación, sitios álcali-lábiles, mutaciones puntuales y aberraciones cromosómicas estructurales y numéricas. [2] Se sabe que la integridad comprometida del material genético causa cáncer. Como consecuencia, se han desarrollado muchas técnicas sofisticadas, incluido el ensayo de Ames, las pruebas toxicológicas in vitro e in vivo y el ensayo Comet, para evaluar el potencial de las sustancias químicas para causar daño al ADN que puede conducir al cáncer.
Las sustancias genotóxicas inducen daño al material genético en las células a través de interacciones con la secuencia y la estructura del ADN. Por ejemplo, el metal de transición cromo interactúa con el ADN en su estado de oxidación de alta valencia, provocando lesiones del ADN que conducen a la carcinogénesis . El estado de oxidación metaestable Cr(V) se logra a través de la activación reductora. Los investigadores realizaron un experimento para estudiar la interacción entre el ADN con el cromo cancerígeno utilizando un complejo Cr(V)-Salen en el estado de oxidación específico. [3] La interacción fue específica para el nucleótido de guanina en la secuencia genética. Para limitar la interacción entre el complejo Cr(V)-Salen con la base de guanina, los investigadores modificaron las bases a 8-oxo-G para tener una oxidación específica del sitio. La reacción entre las dos moléculas causó lesiones del ADN; las dos lesiones observadas en el sitio de la base modificada fueron guanidinohidantoína y espiroiminodihidantoína. Para analizar más a fondo el sitio de la lesión, se observó que la polimerasa se detenía en el sitio y la adenina se incorporaba de forma inapropiada a la secuencia de ADN opuesta a la base 8-oxo-G. Por lo tanto, estas lesiones contienen predominantemente transversiones G→T . Se observa que el cromo de alta valencia actúa como carcinógeno, ya que los investigadores descubrieron que "el mecanismo de daño y los productos de oxidación de bases para la interacción entre el cromo de alta valencia y el ADN... son relevantes para la formación in vivo de daño en el ADN que conduce al cáncer en poblaciones humanas expuestas al cromato". [3] En consecuencia, muestra cómo el cromo de alta valencia puede actuar como carcinógeno con xenobióticos formadores de 8-oxo-G . [3]
Otro ejemplo de una sustancia genotóxica que causa daño al ADN son los alcaloides de pirrolizidina (PA). Estas sustancias se encuentran principalmente en especies vegetales y son venenosas para los animales, incluidos los humanos; aproximadamente la mitad de ellas han sido identificadas como genotóxicas y muchas como tumorígenas. Los investigadores concluyeron a partir de las pruebas que cuando se activan metabólicamente, "los PA producen aductos de ADN, reticulación de ADN, roturas de ADN, intercambio de cromátidas hermanas, micronúcleos, aberraciones cromosómicas, mutaciones genéticas y mutaciones cromosómicas in vivo e in vitro ". [4] La mutación más común dentro de los genes son las transversiones G:C → T:A y la sustitución de bases en tándem. Los alcaloides de pirrolizidina son mutagénicos in vivo e in vitro y, por lo tanto, responsables de la carcinogénesis, principalmente en el hígado. [4] La consuelda es un ejemplo de una especie vegetal que contiene catorce PA diferentes. Los metabolitos activos interactúan con el ADN y provocan daños en el ADN, inducción de mutaciones y desarrollo de cáncer en las células endoteliales del hígado y los hepatocitos . Los investigadores descubrieron finalmente que "la consuelda es mutagénica en el hígado y que el ácido fosfórico contenido en la consuelda parece ser responsable de la toxicidad inducida por la consuelda y de la inducción de tumores". [5]
El objetivo de las pruebas de genotoxicidad es determinar si un sustrato influirá en el material genético o puede causar cáncer. Se pueden realizar en células bacterianas, de levadura y de mamíferos. [2] Con el conocimiento obtenido de las pruebas, se puede controlar el desarrollo temprano de organismos vulnerables a las sustancias genotóxicas. [1]
El ensayo de mutación inversa bacteriana, también conocido como ensayo de Ames , se utiliza en los laboratorios para detectar mutaciones genéticas. La técnica utiliza muchas cepas bacterianas diferentes para comparar los diferentes cambios en el material genético. El resultado de la prueba detecta la mayoría de los carcinógenos genotóxicos y los cambios genéticos; los tipos de mutaciones detectadas son cambios de marco y sustituciones de bases. [6]
El objetivo de las pruebas in vitro es determinar si un sustrato, un producto o un factor ambiental induce daño genético. Una técnica implica ensayos citogenéticos utilizando diferentes células de mamíferos. [6] Los tipos de aberraciones detectadas en células afectadas por una sustancia genotóxica son brechas cromatídicas y cromosómicas, roturas cromosómicas, deleciones cromatídicas, fragmentación, translocación, reordenamientos complejos y muchos más. Los efectos clastogénicos o aneugénicos del daño genotóxico causarán un aumento en la frecuencia de aberraciones estructurales o numéricas del material genético. [6] Esto es similar a la prueba de micronúcleos y al ensayo de aberración cromosómica, que detectan aberraciones cromosómicas estructurales y numéricas en células de mamíferos. [1]
En un tejido mamífero específico, se puede realizar un ensayo TK+/- de linfoma de ratón para comprobar si hay cambios en el material genético. [6] Las mutaciones genéticas son comúnmente mutaciones puntuales, que alteran solo una base dentro de la secuencia genética para alterar la transcripción y la secuencia de aminoácidos resultantes; estas mutaciones puntuales incluyen sustituciones de bases, deleciones, cambios de marco y reordenamientos. Además, la integridad de los cromosomas puede alterarse a través de la pérdida de cromosomas y lesiones clastogénicas que causan deleciones de múltiples genes y multilocus. El tipo específico de daño está determinado por el tamaño de las colonias, distinguiendo entre mutaciones genéticas (mutágenos) y aberraciones cromosómicas (clastógenos). [6]
La prueba SOS/umu evalúa la capacidad de una sustancia para inducir daño en el ADN; se basa en las alteraciones en la inducción de la respuesta SOS debido al daño en el ADN. Los beneficios de esta técnica son que es un método rápido y sencillo y conveniente para numerosas sustancias. Estas técnicas se realizan en agua y aguas residuales en el medio ambiente. [7]
El objetivo de las pruebas in vivo es determinar el potencial de daño del ADN que puede afectar la estructura cromosómica o alterar el aparato mitótico que cambia el número de cromosomas; los factores que podrían influir en la genotoxicidad son ADME y la reparación del ADN. También puede detectar agentes genotóxicos que no se detectan en las pruebas in vitro . El resultado positivo del daño cromosómico inducido es un aumento en la frecuencia de PCE micronucleados. [6] Un micronúcleo es una pequeña estructura separada del núcleo que contiene ADN nuclear surgido de fragmentos de ADN o cromosomas completos que no se incorporaron a la célula hija durante la mitosis. Las causas de esta estructura son la pérdida mitótica de fragmentos cromosómicos acéntricos (clastogenicidad), problemas mecánicos por rotura e intercambio cromosómico, pérdida mitótica de cromosomas (aneugenicidad) y apoptosis. La prueba de micronúcleos in vivo es similar a la in vitro porque prueba aberraciones cromosómicas estructurales y numéricas en células de mamíferos, especialmente en células sanguíneas de ratas. [6]
Los ensayos cometa son una de las pruebas más comunes para la genotoxicidad. La técnica implica la lisis de células utilizando detergentes y sales. El ADN liberado de la célula lisada se somete a electroforesis en un gel de agarosa en condiciones de pH neutro. Las células que contienen ADN con un mayor número de roturas de doble cadena migrarán más rápidamente al ánodo. Esta técnica es ventajosa porque detecta niveles bajos de daño al ADN, requiere solo una cantidad muy pequeña de células, es más barata que muchas técnicas, es fácil de ejecutar y muestra resultados rápidamente. Sin embargo, no identifica el mecanismo subyacente al efecto genotóxico ni el químico o componente químico exacto que causa las roturas. [8]
Los efectos genotóxicos, como deleciones, roturas y/o reordenamientos, pueden provocar cáncer si el daño no provoca inmediatamente la muerte celular. Las regiones sensibles a la rotura, llamadas sitios frágiles , pueden ser resultado de agentes genotóxicos (como los pesticidas). Algunas sustancias químicas tienen la capacidad de inducir sitios frágiles en regiones del cromosoma donde están presentes los oncogenes , lo que podría provocar efectos cancerígenos. De acuerdo con este hallazgo, la exposición ocupacional a algunas mezclas de pesticidas se correlaciona positivamente con un mayor daño genotóxico en los individuos expuestos. El daño del ADN no es uniforme en su gravedad en todas las poblaciones porque los individuos varían en su capacidad para activar o desintoxicar sustancias genotóxicas, lo que conduce a una variabilidad en la incidencia del cáncer entre los individuos. La diferencia en la capacidad para desintoxicar ciertos compuestos se debe a los polimorfismos heredados de los individuos de los genes involucrados en el metabolismo de la sustancia química. Las diferencias también pueden atribuirse a la variación individual en la eficiencia de los mecanismos de reparación del ADN [9].
El metabolismo de algunas sustancias químicas produce especies reactivas de oxígeno (ROS), que es un posible mecanismo de genotoxicidad. Esto se observa en el metabolismo del arsénico , que produce radicales hidroxilo , que se sabe que causan efectos genotóxicos. [10] De manera similar, las ROS se han visto implicadas en la genotoxicidad causada por partículas y fibras. La genotoxicidad de partículas fibrosas y no fibrosas se caracteriza por una alta producción de ROS a partir de células inflamatorias . [11]
Se han identificado los principales agentes genotóxicos responsables de los cuatro cánceres más comunes en todo el mundo (pulmón, mama, colon y estómago).
El cáncer de pulmón es el cáncer más frecuente en el mundo, tanto en términos de casos anuales (1,61 millones de casos; 12,7% de todos los casos de cáncer) como de muertes (1,38 millones de muertes; 18,2% de todas las muertes por cáncer). [12] El humo del tabaco es la principal causa de cáncer de pulmón. Las estimaciones de riesgo de cáncer de pulmón indican que el humo del tabaco es responsable del 90% de los cánceres de pulmón en los Estados Unidos. El humo del tabaco contiene más de 5.300 sustancias químicas identificadas. Los carcinógenos más importantes en el humo del tabaco se han determinado mediante un enfoque de "margen de exposición". [13] Mediante este enfoque, los compuestos tumorígenos en el humo del tabaco fueron, en orden de importancia, acroleína , formaldehído , acrilonitrilo , 1,3-butadieno , cadmio , acetaldehído , óxido de etileno e isopreno . En general, estos compuestos son genotóxicos y causan daño al ADN. Como ejemplos, se han informado efectos dañinos del ADN para la acroleína, [14] formaldehído, [15] y acrilonitrilo. [16]
El cáncer de mama es el segundo cáncer más frecuente en todo el mundo anualmente [(1,38 millones de casos, 10,9% de todos los casos de cáncer), y ocupa el quinto lugar como causa de muerte (458.000, 6,1% de todas las muertes por cáncer)]. [12] El riesgo de cáncer de mama está asociado con niveles sanguíneos persistentemente altos de estrógeno . [17] El estrógeno probablemente contribuye a la carcinogénesis mamaria mediante los siguientes tres procesos; (1) conversión metabólica de estrógeno en carcinógenos genotóxicos y mutagénicos, (2) estimulación del crecimiento de tejidos y (3) represión de las enzimas de desintoxicación de fase II que metabolizan especies reactivas de oxígeno genotóxicas , lo que resulta en un mayor daño oxidativo del ADN. [18] [19] [20] El principal estrógeno humano, el estradiol , puede metabolizarse en derivados de quinona que forman aductos de ADN . [21] Estos derivados pueden provocar la eliminación de bases de la cadena principal de fosfodiéster del ADN (por ejemplo, despurinización ). Esta eliminación puede ir seguida de una reparación o replicación inexacta del sitio apurínico, lo que conduce a una mutación y, finalmente, al cáncer.
El cáncer colorrectal es el tercer cáncer más frecuente en todo el mundo [1,23 millones de casos (9,7% de todos los casos de cáncer), 608.000 muertes (8,0% de todas las muertes por cáncer)]. [12] En los Estados Unidos, el humo del tabaco puede ser responsable de hasta el 20% de los cánceres colorrectales. [22] Además, los ácidos biliares están implicados por evidencia sustancial como un factor genotóxico importante en el cáncer de colon. [23] En particular, el ácido biliar ácido desoxicólico causa la producción de especies reactivas de oxígeno que dañan el ADN en las células epiteliales del colon humano y de roedores. [23]
El cáncer de estómago es el cuarto cáncer más común en todo el mundo [990.000 casos (7,8% de todos los casos de cáncer), 738.000 muertes (9,7% de todas las muertes por cáncer)]. [12] La infección por Helicobacter pylori es el principal factor causal del cáncer de estómago. La inflamación crónica debida a H. pylori , si no se trata, suele ser duradera. La infección por H. pylori de las células epiteliales gástricas provoca un aumento de la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS) genotóxicas. [24] [25] Las ROS causan daño oxidativo al ADN que incluye la principal alteración de base 8-Oxo-2'-desoxiguanosina . En un estudio retrospectivo reciente se encontró que el uso de un secuestrante de ácidos biliares se asoció con una reducción significativa del riesgo de cáncer gástrico, lo que sugiere que los ácidos biliares pueden ser un factor contribuyente al cáncer de estómago. [26]
La quimioterapia genotóxica es el tratamiento del cáncer con el uso de uno o más fármacos genotóxicos. El tratamiento es tradicionalmente parte de un régimen estandarizado . Al utilizar las propiedades destructivas de las genotoxinas, los tratamientos tienen como objetivo inducir daño al ADN en las células cancerosas. Cualquier daño causado a un cáncer se transmite a las células cancerosas descendientes a medida que continúa la proliferación . Si este daño es lo suficientemente grave, inducirá a las células a sufrir apoptosis . [27]
Una desventaja del tratamiento es que muchos fármacos genotóxicos son eficaces tanto en las células cancerosas como en las normales. La selectividad de la acción de un fármaco en particular se basa en la sensibilidad de las propias células. Por lo tanto, si bien las células cancerosas que se dividen rápidamente son particularmente sensibles a muchos tratamientos farmacológicos, a menudo se ven afectadas las células que funcionan normalmente. [27]
Otro riesgo del tratamiento es que, además de ser genotóxicos, muchos de los fármacos también son mutagénicos y citotóxicos . Por lo tanto, los efectos de estos fármacos no se limitan sólo al daño al ADN. Además, algunos de estos medicamentos que se utilizan para tratar el cáncer también son carcinógenos en sí mismos, lo que aumenta el riesgo de cánceres secundarios, como la leucemia . [27]
Esta tabla muestra diferentes tratamientos contra el cáncer basados en genotóxicos junto con ejemplos. [27]
El daño genotóxico del ADN en el riñón se ha relacionado con la lesión renal aguda y crónica , así como con el carcinoma de células renales . [28] Los estudios de humanos con deficiencias genéticas en las vías de reparación del ADN han revelado que sus riñones son particularmente vulnerables a daños en el ADN, como enlaces cruzados, roturas y daños por bloqueo de la transcripción. [28]