MALATTIE TOSSICHE DEL RENE

Il rene è un organo importante per il medico del lavoro. Il rene può rappresentare il bersaglio di sostanze che ci sono nell'ambiente di lavoro ma può anche essere danneggiato in quanto è un organo escretore di sostanze che un lavoratore assorbe nell'ambiente di lavoro.

L'unità funzionale del rene è il nefrone il quale il quale è costituito da due parti: glomerulare e tubulare. Le due parti svolgono funzioni diverse. Mentre la glomerulare 353i83d svolge essenzialmente la funzione di filtrazione, la tubulare svolge quella di riassorbimento di acqua, di elettroliti, vari e di sostanze disciolte in acqua e svolge anche la funzione di secrezione attiva di alcune sostanze nell'urina.

1) la funzione di filtrazione si svolge nel glomerulo. Le forze che servono per la filtrazione del sangue sono la pressione idrostatica nell'arteriola afferente e quella oncotica. La pressione di filtrazione è alla fine circa di 8 mmHg.

La funzione glomerulare è influenzata non solo dalle pressioni idrostatica e oncotica ma anche dai polianioni che ci sono nella membrana glomerulare e che determinano una selettività verso sostanze attraverso il passaggio del filtro glomerulare. Sostanze cariche negativamente non passano il filtro.

2)   la funzione tubulare può essere distinta in una porzione prossimale dove c'è soprattutto secrezione attiva di sostanze e una porzione distale dove c'è soprattutto il riassorbimento passivo. Nei tubuli c'è riassorbimento del 99% dell'acqua filtrata.

Posso calcolare le due funzioni con delle equazioni.

1) il filtrato glomerulare (Fg) è il rapporto tra la concentrazione urinaria di una sostanza e la concentrazione plasmatica della sostanza, il tutto moltiplicato per il volume.

Fg = [S]u x volume

[S]p

2) il riassorbimento tubulare è pari al prodotto tra la concentrazione urinaria della sostanza per il volume, il tutto sommato alla parte riassorbita. Ciò è anche uguale alla concentrazione plasmatica della sostanza moltiplicata per il filtrato glomerulare.

Fg x [S]p = [S]u x V + T

3) La secrezione tubulare invece è uguale al prodotto filtrato glomerulare e concentrazione    plasmatica della sostanza il tutto sommato alla parte che è secreta attivamente. Ciò è uguale alla concentrazione urinaria della sostanza per il volume.

Fg x [ S] + T = [S]u x V

Il rene è un organo escretore ma anche organo bersaglio di una certa sostanza.

Fattori che influenzano l'escrezione urinaria di una sostanza

A)    Fattori legati alla sostanza

1) Dimensione molecolare della sostanza. Per es. il bifenile è un contaminante ambientale usato anche come tracciante della qualità dell'inquinamento. Esistono degli analoghi del bifenile  diversi e a seconda del grado crescente di cloridrazione della sostanza aumenta il peso molecolare (PM). Se aumenta il PM cala la capacità del rene di eliminare la sostanza. Tanto più piccola è la sostanza tanto più facilmente è eliminabile dal rene.

2) Solubilità. Se la sostanza è idrosolubile è eliminabile altrimenti no. Per es. la catena laterale di un anello pirimidinico può avere varia lunghezza. Può esserci solo un H o una catena alifatica più o meno lunga; tanto più corta è la catena alifatica e tanto più idrosolubile è la molecola, tanto più lunga è tanto più solubile nei lipidi sarà. Aumentando il numero di atomi di carbonio aumenta l'idrofobicità e diminuisce l'eliminazione.

3) PH e pK. In questo caso sono associate caratteristiche del rene come organo a quelle delle sostanze. Alcune sostanze sono ionizzabili. Una sostanza ionizzata non è in grado di attraversare la membrana biologica. Possono farlo solo le sostanze non ionizzate. Il grado di ionizzazione di una sostanza dipende dal pKa che dipende dalla sostanza e dal pH in cui la sostanza si trova. Questo è regolato dall'equazione di Handerson-Hasselback che regola la ionizzazione della sostanza in base al pH. Il pK è il pH al quale una sostanza si trova al 50% ionizzata e al 50% non ionizzata. L'equazione si può esprimere in termini grafici in modo simile ad una S rovesciata. In ascissa mettiamo (pKa - pH) in ordinata il grado di ionizzazione. Lo zero delle ascisse si pone a metà dell'asse stesso e vi corrisponde il 50% del grado di ionizzazione. La curva è ripida in prossimità dello zero per cui una piccola variazione del parametro in ascissa comporterà una grande variazione del grado di ionizzazione. Modificando leggermente il pH per sostanze che abbiano questo comportamento varia grandemente il grado di ionizzazione. Questa variazione di pH si può fare per es. nelle urine.

Per es. a livello tubulare la sostanza è acida ed è acido anche il filtrato. La sostanza non sarà ionizzata. Il pH acido per un acido favorisce la non ionizzazione e facilmente ci sarà riassorbimento. Se c'è un acido a pH alcalino si modifica il grado di ionizzazione della sostanza che aumenta, la sostanza sarà persa di più nelle urine e sarà meno riassorbita.

Questo concetto di pH e pK si sfrutta praticamente. Per es. in certi avvelenamenti da barbiturici che sono acidi, si cerca di alcalinizzare le urine, così la sostanza è tutta ionizzata nelle urine non è più riassorbita a livello tubulare ed è eliminata.

Se per es. un ciclista prende anfetamine che sono alcaline, per migliorare le prestazioni, cercherà di avere le urine alcaline favorendo la non ionizzazione così da avere due vantaggi. Il primo è l'aumento della prestazione perché è favorito il riassorbimento tubulare, e il secondo è che si raggira l'antidoping perché nelle urine ci sono poche anfetamine.

Il pH urinario favorisce o impedisce il riassorbimento del farmaco.

Sostanze acide e urine alcaline : aumentata escrezione.

Sostanze acide e urine acide : ridotta escrezione.

Sostanze alcaline e urine acide  : aumentata escrezione.

Sostanze alcaline e urine alcaline : ridotta escrezione.

4) Meccanismi di trasporto specifici. Sono a livello tubulare per il riassorbimento tubulare. Le cellule tubulari trasportano da una parte all'altra della parete le sostanze. I parametri in gioco sono:

necessità di energia per effettuare il trasporto.

Saturabilità del processo perché i carrier hanno un massimo di capacità di trasporto.

Questi meccanismi possono non funzionare se la cellula tubulare è danneggiata o se ho un eccesso di sostanza da trasportare. Se ho parecchie sostanze di diversa natura che competono fra loro, quelle con più affinità passano le altre meno. Le sostanze a bassa affinità non sono trasportate come se i meccanismi di trasporto fossero danneggiati.

B)    Fattori che influenzano la suscettibilità del rene come organo bersaglio delle sostanze tossiche

1) Flusso ematico: è elevato nel rene. Il rene rappresenta meno dello 0,5% di tutta la massa corporea però il 25% della gittata cardiaca è destinata al rene. Il flusso elevato non dipende in questo caso dalla richiesta elevata di ossigeno da parte del rene, ma dalla necessità di mantenere un elevato filtrato glomerulare. Se cala il filtrato glomerulare i danni sono seri.

Un'ischemia renale da calo del flusso è il meccanismo patogenetico comune di qualsiasi forma di insufficienza renale acuta (IRA).

2) Capacità di concentrare. Ci sono notevoli concentrazioni intratubulari delle sostanze perché il rene filtra ma poi soprattutto a livello del tubulo distale c'è il riassorbimento del 99% di acqua. Una piccola variazione della frazione di acqua riassorbita comporta una perdita di acqua importante. Infatti se varia anche solo dell'1% la percentuale di acqua riassorbita, c'è un raddoppio del volume urinario che passa da circa 1,5l a 3l. I diversi meccanismi di riassorbimento determinano diverse concentrazioni di sostanze nelle urine. Riassorbendo continuamente acqua posso ottenere concentrazioni crescenti di un soluto.

3) Meccanismi di trasporto attivo: E' importante non tanto in situazioni in cui l'eccesso di sostanza è superiore alla capacità di trasporto, ma piuttosto in situazioni in cui ci sia competizione tra diverse sostanze per lo stesso trasportatore.

In alcuni casi si può modulare la capacità di trasporto del tubulo; esempi sono numerosi nel campo della farmacologia, mentre sono pochi per quanto riguarda l'esposizione professionale a farmaci. Per es. c'è competizione tra probenecide ed alcuni antibiotici per cui la secrezione intratubulare degli antibiotici è diminuita causando un aumento della loro concentrazione plasmatica che ne potenzia l'effetto. Spesso questo effetto è clinicamente voluto per ottenere un maggior effetto terapeutico.

4) Capacità metabolica renale. E' minore di quella epatica dove c'è la maggior parte del metabolismo, però può risultare critica. Il metabolismo delle sostanze avviene in due fasi: la fase I e la fase II.

Fase I : è costituita da reazioni di ossidazione. Trasforma la sostanza di partenza, che può o aumentare la tossicità o diminuirla.

Fase II: coniugazione del prodotto di fase I con sostanze come solfati, aminoacidi, acido glucuronico, ecc. In questo modo il prodotto di ossidazione della prima fase coniugato, è reso più idrosolubile e più eliminabile.

Quindi queste sono reazioni in generale detossificanti, rendono la molecola estranea meno tossica, ma non sempre. Per es. una reazione di fase II può aumentare l'effetto tossico nel rene. Accade per alcune sostanze che appartengono alla famiglia degli idrocarburi alifatici polialogenati. La reazione di detossificazione di questi composti avviene con la coniugazione con glutatione. Il glutatione è un piccolo peptide che si trova all'interno delle cellule e che serve per coniugare sostanze reattive dal punto di vista chimico e renderle così meno tossiche e più eliminabili. La coniugazione è un processo complicato che comprende più fasi.

Il glutatione è un tripeptide formato da acido glutammico, cisteina e glicina, che nel processo di coniugazione perde due aminoacidi ( acido glutammico e glicina ) andando a formare un prodotto detto cistein-coniugato.

Nel rene il risultato per queste sostanze è opposto perché le reazioni di fase II possono aumentare la tossicità.

Considerando il caso degli idrocarburi alifatici polialogenati, c'è tossicità verso il rene.

Sul glutatione-coniugato agisce un enzima detto gammaglutammiltranspeptidasi (GGT) che stacca l'acido glutammico del glutatione, successivamente agisce un altro enzima detto cisteiniltransferasi che stacca anche la glicina. In questo modo per la maggior parte delle sostanze si forma così un composto idrosolubile facilmente eliminabile. Nel caso delle sostanze appartenenti alla famiglia degli idrocarburi alifatici polialogenati nel rene avviene un'altra reazione ad opera dell'enzima beta-liasi che agisce staccando anche la cisteina ripristinando il composto di partenza che è così nefrotossico.

I meccanismi con cui avviene la tossicità nei confronti delle cellule renali sono comuni a tutti i meccanismi di morte cellulare: tutti hanno in comune un aumento della concentrazione intracellulare che è un segno di agonia della cellula. Ciò può avvenire in vari modi:

a) le sostanze tossiche generano specie reattive dell'ossigeno (radicali liberi, superossidi, ecc.): innescano la perossidazione lipidica che causa la distruzione della membrana, dei canali ionici e un successivo richiamo intracellulare di calcio.

b) Un altro meccanismo con cui aumenta il calcio intracellulare è quello più selettivo del mercurio che modula i canali del calcio tenendoli sempre aperti.

Quadri clinici delle lesioni renali da sostanze tossiche.

Innanzitutto si deve distinguere in IRA e IRC. Sono quadri rari oggi. Si possono verificare per incidenti o per vari motivi.

1) Insufficienza renale acuta intrinseca . Le sostanze ledono direttamente la funzione tubulare e si configura un quadro di necrosi tubulare acuta.

2) Insufficienza renale acuta prerenale. La causa primaria risiede al di fuori del rene: Un esempio classico è dato dalle sindromi epatorenali: la sostanza causa primariamente un'insufficienza epatica acuta che dà come conseguenza una grossa perdita di liquidi, quindi un'ipovolemia relativa, un'ischemia renale che esita in IRA.

Per es. in medicina del lavoro si può avere un'intossicazione da tetracloruro di carbonio. Una volta arrivato al fegato questo composto viene metabolizzato a radicale libero: c'è un metabolismo di tipo "suicida" perché l'epatocita forma una specie chimica che causa la sua morte. Si ha necrosi epatica massiva e successivamente un'insufficienza renale.

Un altro es. è ciò che succede con l'Amanita Phalloides, che prevede lo stesso meccanismo.

3) Insufficienza renale acuta postrenale. Il danno renale è causato da quanto avviene dopo la filtrazione renale.

Es. Glicole etilenico: è una sostanza usata come anticongelante nell'acqua dei radiatori delle automobili. Viene assorbito, metabolizzato e eliminato per via renale. Nel filtrato glomerulare può formare cristalli di ossalato di Na che ostruiscono il tubulo, si forma quindi un meccanismo a catena che porta all'IRA.

4) Insufficienza renale cronica. E' dovuto a malattie a livello glomerulare ed è sempre meno frequente. In medicina del lavoro se ne vede qualche caso in operai che lavoravano col piombo. Il piombo causa una glomerulopatia arteriosclerotica (quello che gli anatomo patologi chiamano rene grinzo e che è presente anche nell'ipertensione maligna).

Meccanismi fisiopatologici dell'IR

1) fisiopatologia dell'IRA intrinseca e prerenale.

Il meccanismo delle due forme è lo stesso. Sia nel caso del glicole etilenico, sia nel caso di una necrosi tubulare acuta massiccia, si ha una ostruzione del tubulo renale. Nel caso del glicole etilenico è da ossalati, nel secondo caso da residui di cellule tubulari morte. Conseguenza dell'ostruzione del tubulo è la vasocostrizione dell'arteriola afferente che causa un'ischemia associata a diminuzione della VFG. L'ischemia a sua volta favorisce la necrosi tubulare e si innesca un meccanismo perverso di ischemia e necrosi tubulare che porta all'IRA.

2) fisiopatologia dell'IRA prerenale.

Il punto di partenza è la riduzione del flusso nell'arteria renale: c'è ischemia. La diminuzione del flusso può causare un'insufficienza renale con:

oliguria o anuria.

Situazione in cui non c'è ancora una diminuzione drastica della diuresi. Solo nelle ore successive alla prima fase c'è un calo della diuresi

3)   fisiologia della sindrome epatorenale.

Nel caso della sindrome epatorenale accanto a questi meccanismi l'ischemia renale causa una notevole variazione del contenuto di varie sostanze vasoattive: il risultato è un'ulteriore ischemia, quindi un notevole aggravamento del meccanismo che porta all'IR.

Es. tetracloruro di carbonio. Un operaio lavora dove si fanno in alcune vasche bagni elettrolitici. Una valvola della macchina non funziona, ed egli lavora mezza giornata con le mani immerse nel liquido contenente tetracloruro di carbonio. Dopo poche ore accusa nausea, vomito ed un quadro di insufficienza epatica. Una volta ricoverato mostra aumento della bilirubina e degli indici di necrosi epatica, successivamente comincia ad instaurarsi un quadro di IRA. Prima c'è un quadro di insufficienza epatica e poi una seconda fase di IR. L'istologia fatta ad 1-2 settimane dalla fase acuta, mostra a livello tubulare cellule rigonfie alcune che stanno morendo, materiale endotubulare e cellule in mitosi.

Sostanze nefrotossiche presenti nell'ambiente di lavoro

1) Metalli : piombo, cromo, cadmio, mercurio, nichel, uranio.

Una dose acutissima può causare malattie renali diverse di un'esposizione cronica quotidiana.

Piombo: un'intossicazione acuta causa IRA da necrosi tubulare acuta . Un'intossicazione cronica causa una glomerulopatia.

Cromo: un'esposizione acuta causa necrosi tubulare acuta mentre quella cronica non ha effetti sul rene.

Cadmio. Un'esposizione acuta non ha effetti, mentre quella cronica causa danno tubulare cronico.

2) Solventi organici: glicole etilenico.

3) Erbicidi: paraquat . se ingerito causa insufficienza epatica acuta e sindrome epatorenale.

4) Idrocarburi alifatici.

5) Farmaci: antibiotici (aminoglicosidi), antineoplastici (cisplatino), analgesici (paracetamolo), immonosopressori  (ciclosporina A), mezzi di contrasto (diatrizoati), diuretici mercuriali

Sostanze che danno sindrome epatorenale

1) tetracloruro di carbonio

2) paracetamolo

3) tetraciclina IV

4) Amanita Phalloides

5) Solfato di rame

6) Antibiotici.

Indici clinici di danno renale.

Gli anziani sono più suscettibili a farmaci e sostanze nefrotossiche perché nel corso della vita si perdono nefroni. Però questa perdita fisiologica difficilmente porta ad IR perché il rene ha un'enorme capacità di compenso. Assumendo che i due reni abbiano ciascuno il 50% dei nefroni totali, una nefrectomia non comporta alcuna alterazione della funzione renale globale: questo accade perché c'è una notevole funzionale. Questo è un concetto di base per introdurre i problemi attuali della medicina del lavoro.

La VFG rimane normale fino a che non perdiamo il 35-40% dei nefroni. Se perdiamo il 50-60% abbiamo una modestissima diminuzione del filtrato glomerulare, che però non si accompagna ad alterazione di funzione renale. Gli indici di riferimento sono il livello di azotemia e creatininemia: sono insensibili ad amputazioni funzionali anche molto significative.

Una diminuzione di due terzi della VFG non da alterazione di questi indici.

Come medico del lavoro sono scontento di questi indici perché sono interessato a vedere se una certa esposizione professionale causa una riduzione della VFG. Se ho una perdita del 30% dei nefroni a causa di un'esposizione professionale, non ho nessuna immediata manifestazione clinica, però se questo si associa nel corso degli anni alla perdita fisiologica di nefroni, può esserci una IRC la cui eziologia va ricondotta sia alla perdita fisiologica dei nefroni, sia alla causa tossica.

La nefrotossicità è un problema della medicina del lavoro perché non si hanno strumenti sufficientemente sensibili per scoprire le lesioni iniziali da cause professionali.

Come conseguenza di tutto ciò, nel corso degli anni nefrologi, medici del lavoro, tossicologi hanno cercato di sviluppare dei test sensibili per determinare le lesioni precoci.

Questo lavoro è stato sostanzialmente negativo e il test ideale non è stato ancora trovato. Qualche test è più sensibile di altri, ma nulla di sicuro; in alcuni casi i test hanno portato a dei risultati empirici (stabilire empiricamente anche in assenza di compressione è comunque importante).

Tra i diversi test considerati:

proteinuria ad alto o basso PM.

Componenti della membrana glomerulare nelle urine.

Ab anti m.b. glomerulare

Variazione dei potenziali elettrici della membrana del g.r. come riflesso dei potenziali che ci sono nel glomerulo

Ag dell'orletto a spazzola della cellula tubulare.

Enzimuria

Kallicreina

Metaboliti dell'acido arachidonico.

Tutti questi test sono stati provati in varie situazioni, quelli legati all'escrezione delle proteine si sono rivelati più comprensibili anche se relativamente poco sensibili

Proteinuria. Si misura la quantità di proteine nelle urine. La maggior parte è data da albumina che in

condizioni normali non è presente nelle urine.

Una proteinuria ad alto PM significa un "buco" nel glomerulo (che normalmente non le fa passare). Se trovo albumina nelle urine concludo che il glomerulo non funziona.

Potrebbe però esserci anche una perdita del filtro polianionico che si trova nella membrana glomerulare o che certe proteine plasmatiche cambiano la loro carica o subiscono delle alterazioni nella conformazione o per modificazioni emodinamiche.

Proteinuria a basso PM. La proteina più comunemente misurata è la beta-2-microglobulina. Le proteine a basso PM sono poco presenti nelle urine anche se molto presenti nel filtrato glomerulare; accade perché vengono riassorbite. Aumenta se:

i tubuli non riassorbono: es. malattia tossica renale a livello tubulare. La cellula tubulare non funziona più, le proteine non sono più riassorbite

aumento della concentrazione delle proteine a basso PM nel plasma, per es. mieloma: nel plasma e nel filtrato glomerulare ci sono concentrazioni enormi di proteine a basso PM tali per cui i meccanismi di riassorbimento non sono più efficaci.

Aumenti degli Ag tessutali nelle urine, antigeni provenienti dalle cellule del tubulo.

Quando c'è proteinuria il danno è già stato fatto ed è ormai irreversibile, o c'è un "buco" a livello glomerulare, o c'è un'alterazione a livello tubulare.

Ci sono molti altri markers usati allo scopo di trovare alterazioni reversibili. Alcuni sono stati trovati essere reversibili in relazione alla cessazione dell'esposizione, ma sfortunatamente non si è capito il significato di queste alterazioni.

Ci si chiede: "ciò che noi osserviamo è un effetto legato ad una interazione rilevante o irrilevante? L'aumento di escrezione di un enzima XY è un fenomeno di adattamento ad una certa situazione o rappresenta un fenomeno di tossicità di una sostanza?" rispondere a questa domanda è essenziale per interpretare il significato dell'alterazione. La risposta non è stata data.

Gli unici test che hanno dato una risposta empirica sono le proteinurie, che indicano un danno irreversibile. Però alcune sostanze possono aumentare a livello urinario sostanze come proteine, enzimi, ecc. perché una cellula anche se non morta può rilasciare le sostanze.

Per esempio il cadmio è una sostanza notoriamente tossica. Sono stati misurati l'eliminazione urinaria di cadmio ed i markers urinari in rapporto alla dose di cadmio. Sono stati fatti molti test. A diversi livelli di dose di cadmio ci sono diversi livelli di escrezione di markers (PGF, Ag, microglobulina, ecc.) . si è visto che anche l'escrezione di albumina, transferrina, ecc. erano reversibili. Se invece aumenta l'escrezione di beta2microglobulina, Ag dell'orletto a spazzola, retinol binding, il danno è irreversibile. Cosa causi un aumento della beta2microglobulina non lo si sa. Ai fini pratici si sa che a 10 microgr. di cadmio/grammo creatinina corrisponde un'alterazione funzionale irreversibile. Per essere prudenti anche se non si sa perché la beta2microglobulina aumenti, sapendo che la vita determinerà una perdita significativa di nefroni, si ritiene e si assume che limitando l'esposizione di cadmio al di sotto del valore di 10 microgr. /g creatinina, contribuisco ad evitare l'accelerata perdita e l'insufficienza renale precoce. Questo è il ragionamento empirico che è stato fatto. L'approccio quindi è empirico, l'assunto non è stato dimostrato.