Higiene Industrial Compuestos químicos causantes del cáncer profesional

ESTRUCTURAY MECANISMOS DE ACTUACION Francisco MARQUEZ ARCHILLA Doctor en Ciencias Quimicas. Jefe del Departamento de Higiene Industrial del ClAT de Vizcaya.

Como es conocido. el cáncer se caracteriza morfológicamente por una degeneración celular que da lugar a que determinadas células no puedan realizar las funciones específicas que tienen asignadas en el organismo. Esta degeneración lleva consigo un crecimiento incontrolado de la célula con la formación de un tumor que se extiende progresivamente, llegando a alterar órganos vitales, que conduce finalmente a la muerte del paciente. Las causas que originan esta transformación celular no se conocen con exactitud. Investigaciones recientes ( 1 ) indican, que el paso de una célula normal a otra cancerosa transcurre según las dos etapas siguientes: 1°.Célula normal ZO.Célula precancerosa

Agente carcinógeno

-

Agente cocarcinógeno

-

Célula precancerosa Célula cancerosa

El primer paso, iniciado por la acción de un agente externo conocido como "carcinógeno", es irreversible y ha de considerarse como una debilitación de las defensas celulares que quedan así predispuestas a contraer la enfermedad. pero en las que aún no se manifiesta ningún signo externo. Su tiempo de duración suele ser dilatado variando de acuerdo con la especie y condiciones de vida. En el hombre se ha fijado en un

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máximo de 50 años. lo que explica que muchos individuos en los que se ha iniciado la alteración celular alcancen la velez y mueran por otras causas naturales sin que se manifieste en ellos ningún sintoma carcinogenético. El segundo paso puede considerarse como una fase durante la cual la célula inicia el proceso de descomposición. Para ésto se requiere que actúe otro factor, no conocido tampoco con exactitud. y que ha recibido el nombre de "cocarcinógeno". El "cocarcinógeno" en sí no puede dañar la célula. sino solamente actuar sobre una célula ya predispuesta por la acción del "carcinógeno". Se ha observado que esta segunda etapa es una transformación reversible. en la que se cumplen las leyes del equilibrio químico, pudiendo por consiguiente desplazarse en un sentido u otro e incluso paralizarse si actuamos adecuadamente sobre los componentes del proceso (2). Esto explica la curación aparente. en su fase inicial de algunos tipos de cáncer y la dificultad de una curación total. Aquí radica precisamente la esperanza de lograr positivos efectos en la lucha contra el cáncer. mediante el empleo de agentes físicos o quimicos que, actuando sobre el "cocarcinógeno", puedan desplazar el equilibrio en sentido favorable. impidiendo asique se manifieste la enfermedad. Como "carcinógenos" y "cocarcinógenos" actúan diversos factores que reciben en general el nombre de agentes cancerígenos o carcinogenéticos. Aunque no pueden excluirse totalmente causas endógenas: predisposiciones genéticas. microorganismos, parásitos. etc.. las más fracuentes son las exógenas de naturaleza física o química. procedentes del medio en que se desenvuelve el individuo. En este breve estudio nos limitaremos a los agentes quimicos. que además de ser los más frecuentes desde el punto de vista del cáncer del trabajo -aproximadamente un 60% de los casos detectados deben atribuirse a ellos (3) son también los mejor estudiados.

.

AGENTES CANCERIGENOS DE ORIGEN QUlMlCO Desde hace tiempo se conoce que un gran número de productos químicos inducen a la formación de diversos tipos de cáncer. Dado que en las variadas clases de ocupaciones laborales se usan gran variedad de aquéllos. no es de extrañar que el riesgo de contraer la enfermedad por personas que se dediquen a su

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fabricación o manipulación. sea considerable. Los estudios en este sentido fueron iniciados hace unos 200 años cuando el médico inglés Sir Percival Pott o b s e ~ ó . que el cáncer de escroto abundaba entre personas dedicadas a ciertas ocupaciones. tales como limpiadores de chimeneas y mineros (41. Más recientemente se han encontrado otros tipos de cáncer entre químicos y operarios que trabajan en empresas dedicadas a la manipulación de compuestos de determinados metales: cromo, cadmio o niquel; en factorías que utilizan asbestos y, sobre todo. en la industria químicoorgánica: fabricación de compuestos clorados y colorantes, refinerías de alquitrán y plantas petroquímicas (5). Dato revelador es el hecho de que al analizar las causas de muerte entre los miembros de American Chemical Society. ocupados en laboratorios y plantas industriales, las defunciones atribuidas al cáncer son un 25% mayor que en otras profesiones (6). Estas observaciones hacen que se estudien en la actualidad con gran interés los factores que pueden causar el cáncer entre personas que, a causa de su ocupación. se ven obligadas a manipular y trabajar inmersos en atmósferas contaminadas por ciertos productos quimicos. Ha nacido así el llamado "cáncer profesional" o "cáncer de trabajo" que ocupa un importante capítulo en la medicina laboral. Actualmente se tiene la certeza de que por lo menos 1.M)O compuestos químicos. gran parte de los cuales se usan cotidianamente en la industria. poseen p o p i e dades carcinogenéticas y de aproximadamente otros tantos se tienen serias sospechas. aumentado su número constantemente al estudiar la actividad de nuevos compuestos (7).Naturalmente. no todas estas sustancias actúan con la misma intensidad, siendo muchas de ellas sólo precursoras de la enfermedad y necesitan para su actuación ser activadas "in vivo" por vía química o biológica. Su acción está también ligada a la concentración. siguiendo el principio de Paracelso "Dosis facit venenum". Dada la lentitud del proceso por el que una célula normal se transforma en cancerosa. en el caso de las sustancias para las cuales está comprobado que pueden inducir al cáncer en el hombre, no se fijan limites mínimos de concentraciones de exposición en ambiente. como ocurre para la mavoría de las demás sustancias tóxicas. A este respecto. la America" Conference of Governmental Industrial Hygienists, ha clasificado en tres niveles -la, l b y lc-, los compuestos de experimentada o potencial actividad carcinogenética (81. En el apartado la, se incluyen aquéllos de los que se conocen con certeza los límites tolerables de concentra-

Industrial ciones ponderadas en el tiempo (los conocidos T.L.V. americanos) por bajo de las cuales no pueden producir ni inducir a la formación de cáncer en el hombre. El apartado l b . comprende los compuestos de fuerte actividad cancerígena, y por consiguiente. el personal que por razones de su actividad laboral tenga que manipularlos o trabajar en atmósferas contaminadas por ellos. ha de estar totalmente protegido a su exposición y no tener con ellos el más mínimo contacto. ya sea por vía cutánea, oral o respiratoria. Finalmente. las sustan-

cias incluidas en lc, son aquéllas de las que no se tiene certeza sobre la intensidad de su actividad carcinogenética. Sin embargo, las precauciones en cuanto a su empleo deben ser análogas a las del tipo l b . Los principales grupos de compuestos químicos en los que se ha comprobado su actividad carcinogenética se recogen en la Tabla l. En ella se indica también. cuando se conoce. el epígrafe de peligrosidad en que deben incluirse.

TABLA I 1) Compuestos inorgániws

3) Aminas aromáticas y otros compuestos nitrogenados

Berilio y alguno de sus compuestos (lc). Diversos derivados del arsénico. plomo, cadmio. cobalto. niquel. titanio y cromo (la). Asbestos (la).

2) Compuestos orgánicos aromáticos (la) Benceno (1) y varios hidrocarburos polinucleares aromáticos: Benzo-(a)-pireno (11) y algunos dibenzopirenos, benzo-(a)-antraceno (111). 7-etilbenzo-(a)-antracenos (IV), 7. 12-dimetil-benzo-(a)-antraceno (V) y varios dibenzo-(a)-antracenos. Diversos compuestos heterocíclicos aromáticos como: Dibenzo-(c. 0)-carbazol (VI). e isoniazida (Vil) y derivados.

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I

Los principales compuestos de este tipo son: Aminas: Benzidina (Vlll) y derivados (lb). 4-aminoestilbeno (IX) y derivados (lb), 0-naftilamina (X). (lb), a naftilamina (XI) ( l c ) y cloronafezina (XII) (lb). Azocompuestos: 0 -azonaftaieno (Xlll) (lc). 4-dimetilaminaazobenceno (XIV) (Ic) y en general casi todos los derivados azoicos aromáticos (lc).

Higiene l

6) Compuestos dorados y oxigenados

4) Compuestos nitrogenados alifátiws

Tetracloruro de carbono (XXXI) (la). cloroformo (XXXII) (la). cloruro de vinilo (XXXIII) (la), cloruro de vinilideno (XXXIV) (lc). 1.1 -dicloroetileno (XXXV) (lcl. aldehido acrilico (XXXVI) y sus alquilderivados (lc), p dioxano (XXXVII) (lc).

Hidrazina (XV) y sus metil y etil derivados (lc). Nnitroso-dimetil-(y dietil)-amina (XVI) (lc). N-metil-Nnitroso-urea (XVll) (lc), N-metil-N-nitroso-N'-nitroguanidina (XVIII) (lc). N-nitrosopiperidina (XIX) ( l c ) acetamida (XX) y algunos derivados (lc). tiourea (XXI) y algunos derivados (lc).

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XYlll

XIX

7) Productos naturales ( l c )

I

I

I

I

xx

Aflatoxina. cicasina. safrol, isosafrol y alcaloides de la pirrolisidina.

xxi

l

5) Agentes alquilantes Sulfato de metilo (XXII) (lc). sulfato de etilo (XXIII) ílc). cloruro de bencilo (XXIV) (lc), nitrometano (XXV) ílc), bis-(clorometil)-eter (XXVI) ( I d , metil-clorometileter (XXVII) (lc), -propiolactona (XXVIII) y sus metil derivados (lcl. propano-sulfona (XXIXI (lc). etilenimina (XXX) y sus derivados (lc).

XXYlI

XXlX

XXX

TRANSFORMACIONES EXPERIMENTADAS EN EL ORGANISMO POR LOS AGENTES CANCERIGENOS Compiestos orgánicos aromáticos Las observaciones de Sir Pexcival Pott, de finales del sigo XVIII, ya mencionadas (4). fueron la base de estudio al sospechar la actividad carcinogenética de ciertos

I

hidrocarburos aislados de residuos de destilados de alquitrán. Actualmente está completamente demostrado que muchos de los hidrocarburos polinucleares, de los reseñados en la tabla l. y que se encuentran fundamentalmente en aquel material. poseen fuertes propiedades carcinogenéticas (9). Los trabajos de Pullmans (10). sobre la estructura electrónica de estos hidrocarburos. constituyen los primeros intentos de aplicar la teoría de orbitales

Industrial l

l

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moleculares a la resolución de problemas biológicos. Según este investigador. la actividad carcinogenética de un hidrocarburo polinuclear, depende de la presencia, por lo menos en alguna de las formas resonantes de la molécula, de una región llamada K. con alto carácter olefinico y por consiguiente muy reactiva y otra región de baja reactividad. de carácter aromático y que ha recibido el nombre de región L. Recientes estudios en la teoría de orbitales moleculares han confirmado esta aproximación para gran -número de hidrocarburos de este tipo. Así mientras el benzo-(a)-pireno (Ill y el benzo(abantraceno (IIII, en los que están perfectamente definidas estas dos regiones. son cancerígenos, no lo son el benzo-(c)-pireno (11') y el 1,2-benzoantraceno (III"). en los que al desaparecer el carácter olefinico de todos los anillos, no existe la región K.

Experimentalmente se ha demostrado que derivados de estos hidrocarburos. con sustituyentes tales como radicales aquflicos próximos al enlace olefínico, los que por efecto de hiperconjugación reactivan las regiones K, muestran carácter carcinogenético más acusado. Por el contrario, moléculas con región K bloqueada. por halógenos o grupos nitro de fuerte efecto electrón atrayente. son poco activas. También influye desactivando la molécula, la introducción de grupos polares que aumenten la solubilidad (hidróxilos, carbóxilos, etc.). En cuanto al esquema bioquimico de cómo actúan estos hidrocarburos para la formación del tumor. actualmente se conoce que no lo hacen atacando directamente a las proteinas celulares, sino que previamente, en el organismo sufren una transformación antes de convertirse en la forma activa. Aunque no es bien

conocida la estructura de esta forma activa, numerosas experiencias parecen confirmar que durante el proceso carcinogenético, tiene lugar primeramente una oxidación enzimática del doble enlace de la región K, con formación de un anillo epoxidico y una posterior escisión de éste al reaccionar con una proteína celular o una molécula del ácido desoxiribonucleico (DNAI necesario para enviar el mensaje genético requerido para la formación de aquellas proteinas celulares. iniciándose asi la alteración de la composición química celular (4). Experiencias realizadas en este sentido señalan que el punto inicial atacado es el carbono olefínico de la región K más próximo a la región L. Asi. todos los derivados monofluorados del benzo-(a)-antraceno son cancerigenos. exceptuando el isómero 5-fluorado (5). el cual se oxida dificilmente en el doble enlace olefinico por el efecto desactivante del flúor. El esquema de oxidación y posterior reacción con DNA y proteínas del benzo-(al-antraceno es el siguiente:

También se ha sugerido que muchos procesos cancerígenos se inician por el ataque del hidrocarburo a la célula, formando con los componentes quimicos de aquélla un débil complejo molecular, el cual es después activado por oxidación enzimática mediante una hidroxilasa (8).

AMINAS AROMATICAS Y OTROS COMPUESTOS NITROGENADOS Respecto a las transformaciones biológicas que se producen en las aminas aromáticas y derivados antes de formar el tumor, se tienen datos más concretos. El primero en observar su actividad carcinogenética fue el médico alemán Rehn al encontrar en 1895 el gran número

Higiene de enfermos de cáncer de veliga que se presentaban entre los operaros de las fábricas de anilina y productos con ella relacionados y señaló a esta sustancia como causante de la enfermedad (9). Más adelante se demostró. que en realidad no era la anilina sino otras aminas aromáticas que acompatiaban a aquélla en pequeña cantidad. las causantes de la formación del tumor (10). Bien pronto se señaló entre ellas a la pnaftilamina y a la benzidina juntamente con alguno de sus derivados (1 1). Pocd después se descubrió también la actividad carcinogenética de muchos colorantes azoicos que hasta entonces se consideraban inocuos y que se empleaban incluso en la coloración de alimentos. Se tienen diversas pruebas que permiten hacernos una idea de la forma en que las arninas aromáticas y derivados. actúan en la formación del cáncer (12). Está comprobado, que al igual que los hidrocarburos aromáticos. sufren previamente una oxidación enzimática, dando el N-hidroxiderivado correspondiente (13). Estudios experimentales realizados en hígado de rata indican que. por ejemplo, la N-(2-fluorenil)-acetamida, derivado acetilado de la N-(2-fluorenill-amina. sustancia muy empleada como insecticida y en la que recientemente se ha demostrado su actividad carcinogenetica. sufre. previamente a la formación del tumor. una N-hidroxilación por la acción del NADPH, a N-hidroxi-FAA. la cual por la acción del 3'-fosfoadenosil-5'-fosfosulfato (PAPS04)y en presencia de una sulfotransferasa. pasa al N-sulfato de FAA, ester electrofilico muy reactivo que reacciona con el DNA. RNA o proteinas. presentes en el medio celular. iniciando asi el proceso carcinogenético

(14).

IRNAI

Este esquema se ha conseguido demostrar experimentalmente al comprobar que la N-hidroxi-FAA es inactiva en especies que bloquean la acción de sulfotransferasas y que el N-acetoxi de FAA (no se ha podido emplear el sulfato por dificultad de sintetizarlo), reacciona "in vitro" con las bases púricas de los ácidos nucléicos, adenina (11) y guanina (111). así como el aminoácido metionina (IV). para dar los productos V. VI y VII. asilados así mismo del higado de ratas a las que se ha inyectado N-hidroxi-FAA (15). compuestos todos ellos que inducen la formación de tumores.

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Industrial COMPUESTOS NITROGENADOS ALIFATICOS En cuanto a la forma en que actúan las Nnitrosoaminas y N-nitrosoamidas en la formación del cáncer. ha sido estudiada por numerosos investigadores. fundamentalmente por Lawley y colaboradores (16). Este mismo grupo de trabajo ha comprobado también su formación en medios biológicos por la acción del nitrito sódico sobre aminas secundarias a un pH débilmente ácido (17): Actualmente se acepta que la acción carcinogenética de las dialquilnitrosoaminas se inicia por la reacción de estos compuestos sobre las bases nitrogenadas de los ácidos nucleícos, en las que producen alquilaciones. El primer paso es una hidroxilación enzimática en la posición u d e la cadena alquilica, seguido de un proceso hidrolítico que termina con la formación de un ión carbonio. causante de la alquilación de la base nitrogenada. En procesos metabólicos normales. la oxidación tiene lugar en posiciones más alejadas del nitrógeno. lo que conduce a nitrosoaminoalcoholes que se eliminan por la orina en forma de ésteres del ácido glucorónico. Esto no puede ocurrir cuando la oxidación es en a al quedar impedida estéricamente la formación del éster. En esquema, estas reacciones pueden presentarse asi: PrvcEro Caiicir"rii'

Piorno Normal

R CHO

t 8

R-N

1

NO

IMonodli#uil n#,ro,oamin#i

Este esquema se comprueba experimentalmente al observar que las dialquilnitrosoaminas en las que el carbono en a no pueda oxidarse. como ocurre con la difenil o diterbutilnitrosoamina. no presentan acción carcinogenética. De forma análoga. se ha demostrado que las nitrosoamidas, como la N-nitroso-N-metil-urea, la N-

metil-N'-nitro-N-nitrosoguadina y el metilmetanosulfonato. las cuales actúan muy específicamente para dar lugar a cánceres de estómago e intestino, o a diversos carcinomas gástricos y adenocarcinomas. producen también alquilaciones de las bases heterociclicas mediante un proceso de formación previa de iones carbonio (18) de acuerdo con un mecanismo de sustitución nucleofilica monomolecular. Por el contrario. la alquilación de las bases nitrogenadas del DNA y UNA y de las proteínas por los agentes alquilantes usuales. como el dimetil-sulfato, dietilsulfato y diazometano. se realiza preferentemente según una cinética de segundo orden (mecanismo de sustitución nucleofilica bimolecular) con la formación de un intermedio no iónico que evoluciona finalmente hacia la formación de una base alquilada (19). En cuanto a las posiciones de los restos alquilicos en las bases. van'an según el agente causante de la alquilación..

COMPUESTOS HALOGENADOS Y OXIGENADOS Muchos compuestos halogenados y oxigenados han despertado fuertes controversias en cuanto a su posibilidad de originar cáncer en el hombre. Algunos de ellos en los que actualmente está comprobada esta actividad, se empleaban masivamente y sin precauciones especiales. El cloroformo, por ejemplo, se ha utilizado en diversos procesos e incluso como anestésico. estando en la actualidad su uso muy limitado al haberse probado es un fuerte inductor de cáncer en animales de laboratorio. Más ilustrativo es a este respecto. el cloruro de vinilo. usado en los últimos 30 años en grandes cantidades en la fabricación del cloruro de polivinilo (PVC). y que se consideraba hasta hace poco inactivo desde el punto de vista biológico. En 1970 Viola y Salvay (20) en sus intentos de reproducir la acroosteolisis de este productos descubrieron una fuerte acción carcinogenética en animales de laboratorio. lo que ha llevado a estudiar su acción sobre el hombre. Actualmente se admite al monómero como inductor de la enfermedad (21). En cuanto a la forma de actuar de estos compuestos. se ha comprobado que pueden producir en el organismo alteraciones estructurales de las bases heterocíclicas, componentes de los ácidos nucléicos. consistentes fundamentalmente en alquilaciones y halogenaciones. producidas mediante mecanismos catiónicos o radicalorios. Experimentalmente se ha comprobado la presencia considerable de radicales libres en células cancerígenas (22).

COMPUESTOS INORGANICOS

Entre los productos naturales que se ha demostrado inducen al cáncer. el mejor estudiado metabólicamente es el grupo de las aflatoxinas. toxinas aisladas del aspergillus flavus. Entre ellas destaca la aflatoxina B1 IAFB,) (1) potente carcinógeno frente a ratas y otras especies animales. incluido el hombre (23, 24). Wogan y colaboradores (25. 26). han estudiado el tipo de reacción entre la AFBl y el DNA. encontrando que el DNA inhibe la actividad de la RNA-polimerasa. Lijinsky y colaboraddres (27) han identificado en hígado de ratas tratadas con AFB,. compuestos formados por la unión covalente de este compuesto con DNA, RNA y proteinas. Los trabajos de Garner y de Gurtoo (28, 29) incubando AFB con microsomas de hígado de ratas en presencia de oxidasas fundamentalmente (NADPH). demuestran también la unión de la AFB, con tRNA, habiendo conseguido identificar el intermedio (111) por espectroscopia de r.m.n. La hidrólisis ácida suave de este compuesto conduce al 2,3-dihidro-2.3-dihidroxiAFBl (V). sustancia que se obtiene también por oxidación de la AFBI, con OSO4y posterior hidrólisis del esterósmico formado (30) (IVI. Estas experiencias perecen indicar que el metabolito activo es un epóxido (11) que al reaccionar con el RNA. altera su estructura.

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Finalmente, ciertos compuestos metálicos y organometálicos. especialmente derivados del cromo, cadmio y niquel así como los asbestos, han demostrado ser activos agentes cancerígenos (311. El estudio de la actividad carcinogeriética de iones metálicos es relativamente reciente y aún no se tienen datos muy concretos en cuanto a su forma de activación (32). algo análogo puede decirse referente a las tolvas de asbesto (33). Sus resultados, sin embargo. serán de gran interés ya que permitirán la regulación y control de contaminantes industriales que afectan actualmente a la salud d e grandes masas de población. Observamos por esta breve exposición que las aporiaciones que el químico puede hacer a la lucha contra esta plaga moderna son de gran importancia. Por un lado, en el esclarecimiento de los complicados mecanismos a través de los cuales actúan en los organismos las numerosas sustancias químicas empleadas cada día en mayor número en procesos industriales y que pueden presentar acción carcinogenética. lo que se consigue fundamentalmente mediante la identificación de compuestos intermedios formados en el metabolismo de aquéllos. Esto puede llevar a la preparación y empleo de sustancias de propiedades químicas y tecnológicas análogas, pero en las que el efecto carcinogenético haya desaparecido. Por otro lado, el quimico es imprescindible en la preparación de compuestos de actividad anticancerígena que ayuden a remediar y que incluso es posible que algún día. lleguen a desterrar esta plaga de la humanidad. Para la resolución de estos complicados problemas. el quimico necesita disponer de medios de trabajo muy sofisticados. Repasando la bibliografía. se observa que los medios de más alta tecnología, tales como espectrometría de masas de alta resolución. espectrofotometria de infrarrojo y raman. resonancia magnética nuclear y de espín. cromatografía líquido-líquido de alta presión. etc.. además de las técnicas clásicas de análisis quimico y química preparativa, son empleadas actualmente en las investigaciones sobre el cáncer. Sin disponer de medios apropiados. el investigador más dotado se verá frustrado en su trabajo. El casual descubrimiento debido a un sueño feliz. está practicamente desterrado de la ciencia actual.

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