Dióxido de Titanio: toxicidad e importancia en la industria alimentaria y farmacéutica

Dióxido de Titanio: toxicidad e importancia en la industria alimentaria y farmacéutica Universidad de Sevilla Facultad de Farmacia Alumna: Marta Jiménez Durán Tutora: Remedios Guzmán Guillén Universidad de Sevilla, Facultad de Farmacia Dióxido de Titanio: toxicidad e importancia en la industria alimentaria y farmacéutica Alumna: Marta Jiménez Durán Trabajo de Fin de Grado Área de Toxicología Departamento de Nutrición y Bromatología, Toxicología y Medicina Legal Grado en Farmacia Sevilla, 7 de junio de 2023 Tutora: Remedios Guzmán Guillén Revisión bibliográfica Resumen El dióxido de titanio (TiO2) es un pigmento blanco muy utilizado en la industria debido a que confiere un color blanco excepcional y una elevada opacidad y brillo gracias a que tiene la capacidad tanto de absorber como de dispersar la luz ultravioleta (UV). Se emplea en la industria alimentaria como aditivo (E171) y en la industria farmacéutica y cosmética como excipiente opacificante en la elaboración de medicamentos y como filtro UV en protectores solares. Debido a su gran prevalencia en productos de uso cotidiano, sobre todo en forma de nanopartícula (NP), crea preocupación por su seguridad. En este trabajo se aborda el TiO2 desde el punto de vista de los efectos tóxicos para la salud humana estudiados en diferentes modelos in vitro e in vivo y para ello se ha llevado a cabo una revisión bibliográfica de la literatura científica de las bases de datos PubMed y ScienceDirect. Además, esta revisión resume la normativa actual del TiO2 en Europa. Los resultados obtenidos muestran la existencia de una gran controversia acerca de la toxicidad que las NPs de TiO2 producen en los humanos. Aunque algunos trabajos afirman que las NPs de TiO2 no son nocivas para el ser humano, existe una cantidad considerable de estudios que demuestran sus efectos tóxicos, tanto citotóxicos como genotóxicos, en modelos animales. Aún no existe un consenso entre la comunidad científica, pero de momento en Europa se ha prohibido el uso del TiO2 en los alimentos y se está estudiando la posibilidad de hacer lo mismo con los productos farmacéuticos y cosméticos. Por todo ello, es de gran importancia que se llegue a un acuerdo definitivo sobre la toxicidad de este nanomaterial. Palabras clave Dióxido de titanio (TiO2), toxicidad, exposición, salud humana, normativa UE Índice de contenido 1. Introducción ................................................................................................................. 1 1.1. Dióxido de titano .................................................................................................. 1 1.2. Propiedades .......................................................................................................... 2 1.3. Nanopartículas ...................................................................................................... 4 1.4. Aplicaciones ......................................................................................................... 5 1.4.1. Aplicaciones en la industria alimentaria .................................................... 5 1.4.2. Aplicaciones en la industria farmacéutica y cosmética ............................. 5 1.5. Toxicidad .............................................................................................................. 6 2. Objetivos ...................................................................................................................... 7 3. Metodología ................................................................................................................. 7 4. Resultados y discusión ................................................................................................ 9 4.1. Vías de exposición................................................................................................ 9 4.1.1. Exposición por vía pulmonar ................................................................... 10 4.1.2. Exposición por vía oral ............................................................................ 10 4.1.3. Exposición por vía tópica ......................................................................... 11 4.1.4. Exposición por vía parenteral .................................................................. 12 4.2. Potenciales mecanismos de toxicidad ................................................................ 13 4.2.1. Citotoxicidad ............................................................................................ 13 4.2.2. Genotoxicidad .......................................................................................... 15 4.3. Efectos sobre la salud ......................................................................................... 16 4.3.1. Sistema respiratorio ................................................................................. 16 4.3.2. Sistema digestivo ..................................................................................... 17 4.3.3. Sistema dérmico ....................................................................................... 20 4.3.4. Otros sistemas .......................................................................................... 21 4.4. Controversia sobre la toxicidad .......................................................................... 22 4.5. Normativa, legislación y seguridad .................................................................... 23 4.5.1. El futuro del TiO2 como excipiente farmacéutico .................................... 24 4.5.2. Cambios en la normativa referente a la exposición del TiO2 por inhalación ..................................................................................................................... 25 5. Conclusiones .............................................................................................................. 26 6. Bibliografía ................................................................................................................ 27 Índice de tablas Tabla 1. Características de algunos de los pigmentos blancos más utilizados (Gázquez et al., 2021) ............................................................................................................................ 2 Índice de figuras Figura 1. Estructuras cristalinas de los polimorfos del TiO2 en (a) rutilo, (b) anatasa y (c) brookita (Samat et al., 2016) ............................................................................................. 1 Figura 2. Fenómenos fotoelectroquímicos en TiO2 expuesto a la luz UV (Racovita, 2022) ........................................................................................................................................... 3 Figura 3. Fotoexcitación del TiO2 y generación de especies reactivas de oxígeno (EROs) (Musial et al., 2020) ........................................................................................................... 4 Figura 4. Artículos encontrados sobre el dióxido de titanio en relación a la toxicidad, exposición y salud humana en las bases de datos de PubMed y ScienceDirect en los últimos 15 años .................................................................................................................. 8 Figura 5. Toxicocinética y lugares de acumulación de las NPs de TiO2. Las flechas discontinuas indican incertidumbres (Shakeel et al., 2016) .............................................. 9 Figura 6. Mecanismos de toxicidad de la reacción de las NPs de TiO2 con las células (Rashid et al., 2021) ......................................................................................................... 14 Figura 7. Mecanismos de la posible genotoxicidad de las NPs de TiO2 en las células (Ling et al., 2021) ...................................................................................................................... 15 Figura 8. Vía postulada de resultados adversos del TiO2 tras la ingestión y relacionada con la inflamación y la carcinogenicidad. Abreviaturas: ROS: especies reactivas del oxígeno; PAMP: patrones moleculares asociados a patógenos; LPS: lipopolisacáridos; EII: enfermedad inflamatoria intestinal; NLRP3: proteína 3 que contiene dominios NOD, LRR y pirina; TLR: receptor tipo Toll (Bischoff et al., 2021)......................................... 18 1 1. Introducción 1. 1 Dióxido de titanio Actualmente el dióxido de titanio (TiO2) es considerado el pigmento blanco más importante del mercado debido a que confiere un color blanco excepcional y una elevada opacidad y brillo gracias a su capacidad de dispersar la luz. Además, su inercia química, bajo coste y elevada disponibilidad hace que sea ampliamente utilizado, especialmente en pinturas y revestimientos (57%-58%), en plásticos y caucho (24%-25%), en papel (12%), en tintas (6%) y en la industria textil, farmacéutica y cosmética (3%) (Gázquez et al., 2021). El TiO2 es un compuesto inorgánico polimorfo y simple, que existe en tres formas cristalinas fundamentales: anatasa, rutilo y brookita (Figura 1). Estas estructuras cristalinas se ensamblan en octaedros de manera que seis aniones de oxígeno son compartidos por tres cationes de titanio (IV). Al expandirse en un espacio tridimensional, estas unidades octaédricas se organizan y distorsionan de forma diferente en cada polimorfo, lo que da lugar a distintos patrones de cristalinidad. Por tanto, los tres polimorfos difieren en forma, estructura, densidad e índice de refracción. Figura 1. Estructuras cristalinas de los polimorfos del TiO2 en (a) rutilo, (b) anatasa y (c) brookita. Tomado de Samat et al., 2016. Actualmente, el TiO2 se comercializa en forma de rutilo y anatasa debido a que la brookita es poco frecuente y, aunque se ha preparado en laboratorio, carece de interés comercial. El rutilo es la forma más estable y, por tanto, la más abundante. Tiene un punto de fusión de 1825ºC, un índice de refracción más alto, un peso específico más elevado y una mayor estabilidad química que la anatasa (Banerjee, 2011; Gázquez et al., 2021; Racovita, 2022). 2 1.2 Propiedades El TiO2 es un polvo fino de color blanco que se utiliza principalmente como pigmento por su brillo y poder opacificante (poder cubriente). Es resistente a los ataques químicos y presenta una excelente estabilidad térmica, pero lo más importante es que tiene la capacidad tanto de absorber como de dispersar la luz ultravioleta (UV) (Musial et al., 2020). El índice de refracción mide la capacidad que tiene una sustancia para dispersar la luz. El TiO2 posee el índice de refracción más alto de todos los pigmentos blancos conocidos, lo que significa que es el que tiene mayor opacidad. Esto se traduce en que se necesitan cantidades relativamente bajas de TiO2 para conseguir un recubrimiento blanco opaco. En la Tabla 1 se muestran las características de algunos de los pigmentos blancos más utilizados. El rutilo refleja la luz de forma más eficiente que la anatasa, lo que lo convierte en el pigmento de elección. Por el momento no existe en el mercado ningún pigmento alternativo en cantidades suficientes y con propiedades similares que pueda igualar la opacidad, el poder cubriente, la rentabilidad, la inercia o la resistencia a los factores ambientales del TiO2 (Gázquez et al., 2021). Tabla 1. Características de algunos de los pigmentos blancos más utilizados. Tomado de Gázquez et al., 2021. Pigmentos Índice de refracción Peso específico CI Blanco de plomo (*) 1.94-2.09 6.70-6.86 CI Pigmento Blanco 1 nº 77597 Blanco de cinc (blanco chino u óxido de cinc) 2.08 5.5-5.6 CI Pigmento Blanco 4 nº 77947 Sulfuro de cinc 2.37 4.0 CI Pigmento blanco 7 nº 77975 Anatasa 2.53 3.70-3.85 CI Pigmento blanco 6 nº 77891 Rutilo 2.71 3.7-4.2 CI Pigmento blanco 6 nº 77891 Litopón (30% de sulfuro de cinc) 1.84 4.3 CI Pigmento blanco 5 nº 77115 3 Óxido de antimonio 2.08-2.35 5.6-5.7 CI Pigmento blanco 11 nº 77052 Arcilla china (conocida como bentonita o arcilla de caolín) 1.57 2.6 CI Pigmento blanco 19 nº 77004 Blanco fijo (sulfato de bario) 1.6 4.0-4.4 CI Pigmento blanco 21 nº 77120 (*) Blanco sulfato de plomo CI Pigmento Blanco 2 nº 77633, Blanco sulfato de plomo básico CI Pigmento Blanco 3 nº 77630. CI, Índice de color. El TiO2 presenta absorción óptica en la región de luz ultravioleta (UV), en una región de absorción de 300 a 400 nm. Esta propiedad contribuye a que absorba la luz en condiciones débiles o difusas (Samat et al., 2016). El TiO2 posee propiedades semiconductoras y es capaz de absorber la luz UV gracias a la estructura de bandas que presenta (Figura 2). La brecha energética (EG) se encuentra entre la banda de valencia y la banda de conducción. Su valor es igual o menor que la energía de los fotones UV y puede actuar como una barrera para la transferencia de electrones. El TiO2 muestra valores de EG de 3,1 eV para el rutilo y de 3,3 eV para la anatasa. Al iluminar el TiO2 con luz UV, se produce un proceso de excitación de electrones que da lugar a huecos positivos en la banda de valencia (h+VB) y fotoelectrones elevados en la banda de conducción (e-CB). Estos fotoelectrones pueden ayudar a reducir moléculas adsorbidas en la superficie del catalizador, mientras que los huecos positivos pueden oxidarlas (Racovita, 2022). Figura 2. Fenómenos fotoelectroquímicos en TiO2 expuesto a la luz UV. Tomado de Racovita, 2022. 4 Como consecuencia, se produce la formación de radicales hidroxilo, radicales superóxido y peróxido de hidrógeno (Figura 3), los cuales constituyen un grupo de especies reactivas de oxígeno (EROs). Un exceso en el organismo de EROs puede llevar a la aparición de estrés oxidativo. La anatasa es la forma cristalina más fotoactiva del TiO2 debido a que su estructura electrónica es la que presenta un mayor hueco de banda (Musial et al., 2020). Figura 3. Fotoexcitación del TiO2 y generación de especies reactivas de oxígeno (EROs). Tomado de Musial et al., 2020. 1.3 Nanopartículas de TiO2 El tamaño del TiO2 puede variar de algunas decenas a varios centenares de nanómetros, por lo que existe en forma de macropartículas, micropartículas o nanopartículas (NPs). Las nanopartículas de TiO2 (NPs de TiO2) son uno de los nanomateriales más fabricados del mundo, y tienen un diámetro inferior o igual a 100 nm. Esta disminución de tamaño conlleva un aumento de átomos superficiales y una mayor relación superficie/volumen en comparación con las macro o micropartículas, por ello las NPs son capaces de absorber mejor la luz. Existe un aumento considerable de la absorción de la luz en NPs pequeñas en las que la relación superficie/volumen es muy elevada y la fracción de átomos superficiales es suficientemente grande. El tamaño a partir del cual la mejora de la absorción de la luz es significativo es de unos 20 nm. Además, las NPs de TiO2 también presentan la ventaja de dispersar los fotones UV con mayor eficacia que las macro o micropartículas (Banerjee, 2011; Musial et al., 2020; Racovita, 2022). Sorprendentemente, la disminución del tamaño de partícula de las NPs de TiO2 a materiales más pequeños de unos 10 nm o menos cambia las propiedades ópticas de estas NPs de opacas a transparentes en la región visible del espectro de luz y, posteriormente, a bloqueadores de la luz UV (Dar et al., 2020). 11 cepillado es otra fuente importante de ingesta de E171. La liberación adicional de partículas de TiO2 procedentes de materiales de envasado de alimentos o productos relacionados con la alimentación, como sartenes, también puede contribuir a la ingestión de TiO2. La ingesta alimentaria diaria de E171 puede alcanzar varios cientos de miligramos, de los cuales al menos el 10-40 % se encuentran en forma de NPs de TiO2. La exposición a largo plazo a tales cantidades de TiO2 de tamaño nanométrico y micrométrico genera una gran preocupación por el riesgo de acumulación en los órganos y los efectos potencialmente nocivos que esto podría tener para la salud humana (Bischoff et al., 2020). La exposición oral a las NPs de TiO2 está asociada no sólo a la ingestión de E171, sino también al consumo de productos farmacéuticos. El TiO2 es un excipiente farmacéutico muy común utilizado sobre todo como pigmento blanco. Asimismo, en forma de NPs puede ser un eficaz portador de antibióticos, que además potencia o prolonga la acción del fármaco (Kotrange et al., 2021; Mottola et al., 2019). La cavidad bucal está muy expuesta a las NPs de TiO2. La penetración de estas NPs en los tejidos de la cavidad bucal depende de las características físicas de las partículas y especialmente de su tamaño, pero no de su forma cristalina. En el tracto gastrointestinal las NPs de TiO2 son absorbidas tras su ingestión. Son capaces de atravesar barreras intestinales sanas y no sanas, aunque la absorción de NPs de TiO2 ingeridas a través de una barrera intestinal sana parece ser muy baja. En el paso de las NPs de TiO2 a través del epitelio intestinal pueden intervenir tres vías diferentes: la vía linfática, que es la más probable, en la que las NPs son absorbidas por las células M y pasan a los tejidos linfoides, la vía paracelular y la vía transcelular a través de los enterocitos. Tras su absorción por el tracto gastrointestinal, las NPs de TiO2 pueden ser transportadas y acumularse en distintos órganos. Se distribuyen principalmente en el hígado, los riñones, el bazo y los pulmones, y en pequeñas cantidades en el corazón, el cerebro y los testículos. Estas NPs quedan retenidas en los órganos durante bastante tiempo y finalmente acaban siendo excretadas a través de la orina y las heces (Baranowska-Wójcik et al., 2020; Cornu et al., 2022). 4.1.3 Exposición por vía tópica Las NPs de TiO2 se emplean como filtro UV en protectores solares y cosméticos (cremas, bálsamos labiales, maquillaje, etc.). La mayoría de los estudios realizados en humanos o animales demostraron que las NPs de TiO2 no atraviesan el estrato córneo, la capa 12 epidérmica más externa, y que el número de partículas que consiguen atravesarla es insignificante. El estrato córneo es la capa más superficial de la piel y constituye una barrera frente a la absorción de las sustancias químicas a través de la piel, y está formada por células muertas incapaces de transportar sustancias de forma activa. Por tanto, las NPs de TiO2 no penetran más allá de la capa externa del estrato córneo a las células viables de la epidermis o la dermis y no llegan a la circulación sistémica (Dréno et al., 2019; Shakeel et al., 2016). Sin embargo, recientemente han aparecido estudios que confirman que las NPs de TiO2 pueden penetrar en el organismo a través de la piel (Pelclova et al., 2019). También existen discrepancias sobre la posible absorción de NPs de TiO2 a través de la piel dañada. Los protectores solares suelen aplicarse sobre piel ya quemada por el sol, reseca por la irradiación UV, afectada por procedimientos de belleza (como la depilación) o irritada por factores ambientales (como el viento, la sal y la arena). En general, debe tenerse en cuenta que cualquier cambio en la composición de los lípidos causado por daños en la piel puede perjudicar la función de barrera de la piel y, por tanto, facilitar la penetración de las NPs. Hasta ahora, los resultados de la mayoría de los estudios comparativos, tanto de formulaciones comerciales de protección solar como de suspensiones de NPs de TiO2, indican que los daños leves en la piel no aumentan su permeabilidad. Cabe destacar que los protectores solares no deben aplicarse sobre la piel lesionada o sobre una herida abierta (Musial et al., 2020). 4.1.4 Exposición por vía parenteral Las NPs de TiO2 se utilizan en medicina como transportadores de fármacos para el tratamiento del cáncer debido a que consiguen superar las restricciones de los quimioterápicos tradicionales: se administran en el torrente sanguíneo, se acumulan en el tumor, se liberan de forma controlada y permiten una terapia sinérgica fototérmica y/o fotodinámica (Ren et al., 2017). En general, se supone que el tamaño de partícula ideal para las aplicaciones de tratamiento de destrucción celular que garantiza la permeabilidad vascular y maximiza la acumulación en las células cancerosas es de 100 a 150 nm. Las NPs de más de 200 nm se aíslan en el hígado, el bazo y los riñones, mientras que las de menos de 100 nm pueden salir de los vasos sanguíneos a través de las fenestraciones (Jukapli y Bagheri, 2016). 13 Los estudios realizados indican que tras la inyección intravenosa de NPs de TiO2, éstas son rápidamente eliminadas de la sangre y se distribuyen mayoritariamente en hígado, bazo, riñón y pulmones. El hígado fue identificado como el principal órgano diana de estas NPs. Las NPs de TiO2 se pueden eliminar del cuerpo con una vida media de 12,7 días (Disdier et al., 2015; Elgrabli et al., 2015). 4.2 Potenciales mecanismos de toxicidad El mecanismo de toxicidad de las NPs de TiO2 en los organismos vivos puede resumirse en tres aspectos (Hou et al., 2019): - Las EROs producidas por las NPs de TiO2. - El daño de la pared celular y la peroxidación lipídica de la membrana celular causados por la adhesión de las NPs a las células por fuerzas electrostáticas debido a la gran superficie de las NPs de TiO2. - La adhesión de las NPs de TiO2 a orgánulos intracelulares y macromoléculas biológicas. 4.2.1 Citotoxicidad El estrés oxidativo causado por las NPs de TiO2 es considerado el mecanismo de toxicidad más importante. Normalmente, las EROs generadas por las mitocondrias en las células son neutralizadas rápidamente por sustancias antioxidantes. Sin embargo, una generación excesiva de EROs provoca un desequilibrio entre los agentes oxidantes y los procesos antioxidantes, lo que se denomina estrés oxidativo. Las EROs, como los radicales hidroxilo, los radicales superóxido y el peróxido de hidrógeno, son productos naturales del metabolismo habitual del oxígeno. Sin embargo, estos radicales libres pueden interactuar dentro de los sistemas biológicos produciendo un daño oxidativo al organismo (Musial et al., 2020; Song et al., 2016). Las altas concentraciones de NPs de TiO2 provocan un mayor estrés oxidativo, que se correlaciona con el aumento de la peroxidación lipídica en la membrana celular tras la adsorción de las NPs de TiO2 en la membrana celular. Las EROs y la peroxidación lipídica inducidas por las NPs de TiO2 dañan la integridad de la pared y la membrana celular, lo que provoca un aumento de la permeabilidad, que permite la entrada de las NPs de TiO2 en la célula. Además, las NPs de TiO2 también pueden entrar en la célula a través del proceso de endocitosis. Mientras que las partículas de más de 500 nm pueden ser 14 eliminadas por los fagocitos, las partículas más pequeñas pueden ser engullidas por una vesícula de la membrana celular e introducirse en la célula (Rashid et al., 2021). Tras la entrada de las NPs de TiO2 en la célula, son transportadas a los lisosomas, donde generan estrés lisosómico y liberan citosol que reacciona con los componentes celulares, lo que provoca daños en el ADN, reordenación del ADN, alteración de la expresión génica, estrés oxidativo e inflamación (Figura 6). Las NPs de TiO2 alteran las funciones micromoleculares mediante la adsorción de proteínas, el bloqueo de las vías de señalización y la unión a la estructura del ADN. Sin duda, estos daños afectan a la viabilidad celular y dependen de la dosis y del tiempo (Rashid et al., 2021). Figura 6. Mecanismos de toxicidad de las NPs de TiO2. Tomado de Rashid et al., 2021. También hay que señalar que la respuesta de las células en presencia de NPs de TiO2 es compleja. Así, la presencia de NPs de TiO2 puede modular diferentes destinos celulares, entre ellos la necrosis y la apoptosis, que son las vías habituales de muerte celular, o la autofagia, que conduce a mecanismos citoprotectores o a la muerte celular (Rashid et al., 2021). 15 4.2.2 Genotoxicidad La genotoxicidad se refiere a la destrucción o alteración de la información genética dentro de las células por factores físicos y químicos, incluyendo daños en el ADN, daños cromosómicos y mutaciones genéticas. Por lo tanto, la genotoxicidad está estrechamente relacionada con la aparición y el desarrollo del cáncer (Shi et al., 2022). La genotoxicidad de las NPs de TiO2 depende de sus propiedades fisicoquímicas (forma cristalina, tamaño y forma), el tipo de células/animales experimentales, la concentración, el modo y tiempo de exposición. Más de la mitad de los estudios indican que podrían causar genotoxicidad, lo que sugiere que probablemente sean genotóxicas para los seres humanos, a pesar de las contradicciones que existen entre experimentos in vitro e in vivo. La evaluación actual de la genotoxicidad de las NPs de TiO2 depende principalmente del ensayo del cometa, el ensayo de micronúcleos y el experimento de mutación, pero la concentración y el método de detección inadecuados pueden generar falsos positivos y dificultar la extrapolación de conclusiones (Chen et al., 2022; Ling et al., 2021; Shi et al., 2022). En la actualidad, los mecanismos de genotoxicidad de las NPs de TiO2 (figura 7) se dividen generalmente en tres tipos: el primero es el resultado de la interacción directa con el ADN, el segundo son mecanismos indirectos con moléculas que interactúan con el material genético (al aumentar la liberación lisosomal de ADNasas o formar nanoagregados para extruir el núcleo), y el tercero puede ser causado por EROs generados por el potencial catalítico de las partículas, activación por UV o durante la inflamación provocada por partículas. Además, las NPs de TiO2 también pueden inhibir la reparación por escisión de bases y las vías de reparación por escisión de nucleótidos, lo que influye en el proceso de reparación del ADN. Sin embargo, la genotoxicidad resultante de las NPs de TiO2 es de bajo nivel y puede ser reparada por el organismo. Las pruebas de que las NPs de TiO2 pueden actuar directamente sobre el ADN no son suficientes, por lo que el principal mecanismo que conduce a la genotoxicidad de las NPs de TiO2 puede ser el daño indirecto al ADN a través de la generación de EROs (Chen et al., 2022; Ling et al., 2021; Shi et al., 2022). 16 Figura 7. Mecanismos de la posible genotoxicidad de las NPs de TiO2 en las células. Tomado de Ling et al., 2021. 4.3 Efectos sobre la salud 4.3.1 Sistema respiratorio Estudios recientes demuestran que, tras la exposición por inhalación, las NPs de TiO2 pueden depositarse en la región alveolar y acceder al intersticio pulmonar provocando una respuesta inflamatoria y lesión pulmonar. Estos fenómenos conducen a una disfunción pulmonar y a cambios irreversibles en las células que dan lugar a fibrosis y el desarrollo de tumores. La interacción de las NPs de TiO2 con un sistema biológico está estrechamente relacionada con sus características estructurales, como el tamaño, la forma, la forma cristalina y el revestimiento de la superficie. Entre las NPs de TiO2 la citotoxicidad aumenta en el siguiente orden: amorfo > anatasa > anatasa/rutilo. Con respecto a esto, la anatasa induce una mayor producción de EROs y respuestas celulares y es más tóxica que el rutilo. (Hsiao y Huang, 2011; Wang et al., 2014). Otros estudios también confirman la influencia de las características fisicoquímicas, sobre todo de la forma cristalina, en la respuesta celular a las NPs de TiO2, centrándose en lo que respecta a los efectos citotóxicos, genotóxicos/oxidativos y la inflamación. La anatasa presenta una mayor citotoxicidad en comparación con el rutilo en las células bronquiales, 17 y el rutilo es más genotóxico que la anatasa en las células alveolares y bronquiales (Kose et al., 2021). Por otra parte, antes de ingresar al pulmón, prácticamente todas las NPs de TiO2 están expuestas a algo de luz UV, y la toxicidad pulmonar de las NPs podría verse influenciada por la fotoexcitación, que se sabe que altera las propiedades de la superficie del TiO2. En las NPs de TiO2 preirradiadas se observó un mayor efecto citotóxico en comparación con las NPs no irradiadas (Fresegna et al., 2021). En los últimos años se han llevado a cabo numerosos estudios en roedores para confirmar la relación entre la inhalación de TiO2 y el desarrollo de toxicidad pulmonar. Sin embargo, muchos de estos estudios aplican protocolos cuestionables. En los ensayos de toxicidad las metodologías empleadas deben ser capaces de simular condiciones realistas, en lugar de introducir parámetros extremos que difieren significativamente de las condiciones de exposición humana. Hasta la fecha, no se disponen de datos suficientes sobre la duración de la exposición pulmonar a las NPs de TiO2 y los efectos consiguientes para establecer una correlación científica relevante. Por lo tanto, la extrapolación de los resultados de estudios con roedores, con escaso control sobre el rigor de los parámetros, no presenta una evaluación precisa de la toxicidad de las NPs de TiO2 en el sistema respiratorio humano (Racovita, 2022). 4.3.2 Sistema digestivo Hasta la fecha, los mecanismos de toxicidad de las NPs de TiO2 después de la exposición oral y la ingestión no se conocen con exactitud, aunque sabemos que pueden ocurrir cambios en las propiedades de las NPs debido a su comportamiento dinámico en condiciones fisiológicas, y es probable que se vea afectada una red global de vías celulares y moleculares ante tal exposición. Cuando se ingieren, la interacción entre el TiO2 y las biomoléculas orgánicas en los alimentos y en los fluidos gastrointestinales es inevitable. En estas circunstancias, las propiedades fisicoquímicas de las NPs pueden cambiar, es decir, pueden aglomerarse/agregarse, reaccionar o unirse a otros componentes del alimento/pienso, solubilizarse al reaccionar con los fluidos de digestión o incluso pueden excretarse del cuerpo. Debido a esto, es probable que las NPs de TiO2 no estén disponibles en forma de partículas libres, por lo que su distribución y sus efectos citotóxicos y genotóxicos pueden verse afectados (Vieira et al., 2022). 18 Muchos estudios in vitro e in vivo han demostrado que la exposición al TiO2 puede dar lugar a la formación de EROs y a la inducción de daños genéticos, y que el E171 tiene el potencial de iniciar y estimular la inflamación, promover tumores y perjudicar la salud intestinal en general a través de un modo similar. Los estudios sugieren que la absorción de TiO2/E171 puede inducir la formación de EROs y podría conducir a un desequilibrio del sistema oxidativo-antioxidante. Se han identificado dos eventos iniciadores postulados y varios eventos clave relacionados con efectos adversos tras de la ingestión de TiO2 (Figura 8). Entre los KE se incluyen la generación de EROs, el estrés oxidativo, la inflamación persistente, la lesión epitelial persistente, el aumento de la proliferación celular y el daño del ADN, que dan lugar a lesiones preneoplásicas y, en última instancia, a adenomas/carcinomas intestinales (Bischoff et al., 2020). Figura 8. Vía postulada de resultados adversos del TiO2 tras la ingestión y relacionada con la inflamación y la carcinogenicidad. Abreviaturas: ROS: especies reactivas del oxígeno; PAMP: patrones moleculares asociados a patógenos; LPS: lipopolisacáridos; EII: enfermedad inflamatoria intestinal; NLRP3: proteína 3 que contiene dominios NOD, LRR y pirina; TLR: receptor tipo Toll. Tomado de Bischoff et al., 2021. La ingestión de E171 y su absorción en los enterocitos intestinales podría dar lugar a la formación de EROs, conducir a la inducción directa de inflamación a través de la 19 permeabilización de la membrana lisosomal y, finalmente, inducir daños directos en el ADN de las células epiteliales intestinales (Bischoff et al., 2020). La presencia de E171 en el intestino posiblemente altera la composición de la microbiota intestinal comensal (uno de los eventos iniciadores), lo que puede dar lugar a cambios en la función metabólica y resultar en un aumento de los patrones moleculares asociados a patógenos (PAMP), como el LPS. La presencia de LPS, la internalización de las propias partículas de TiO2 y las alteraciones del flujo de adenosina trifosfato (ATP) relacionadas con el TiO2 son posibles desencadenantes de la activación del inflamasoma NLPR-3, lo que provoca inflamación. Las vías moleculares relevantes para el desarrollo de tumores, incluido el estrés oxidativo, la respuesta inmunitaria, la inflamación y la señalización del cáncer, mostraron cambios después de la exposición a E171. Los procesos inflamatorios persistentes pueden debilitar las membranas celulares y disminuir la integridad de la barrera, lo que da como resultado una función de barrera deteriorada. Además, se especula que la alteración general de la microbiota intestinal puede afectar la salud intestinal y aumentar la permeabilidad intestinal. Estos procesos aumentan potencialmente la absorción de E171 con el tiempo y empeoran las condiciones o aceleran los efectos adversos para la salud. Una disminución en la integridad de la barrera intestinal y el consiguiente aumento en la absorción de E171 eleva los niveles sistémicos de TiO2 y aumenta el riesgo de toxicidad específica de órganos, por ejemplo, neurotoxicidad, cardiotoxicidad, hepatotoxicidad y reprotoxicidad (Bischoff et al., 2020; Cornu et al., 2022; Rolo et al., 2022; Vieira et al., 2022). Las interacciones de las EROs con el ADN y la lesión epitelial persistente pueden provocar daños en el ADN. La formación de lesiones epiteliales preneoplásicas, adenomas/carcinomas intestinales o alteraciones en el tamaño de los tumores ha demostrado ir acompaña de una regulación negativa del receptor del factor de crecimiento epidérmico (EGFR) y AKT, así como una regulación negativa de los genes supresores de tumores, por ejemplo, p53 y p21. Se ha observado una regulación positiva y negativa de p53 probablemente provocadas por la exposición al E171. El E171 también parece aumentar la expresión de los genes Apaf-1 y BAX. Apaf-1 es una proteína citoplasmática que inicia la apoptosis. BAX es un regulador apoptótico, que se une al gen BCL-2 para iniciar la apoptosis y está estrechamente relacionado con la vía p53 y la formación de cáncer de colon. La regulación positiva del regulador maestro para la biogénesis lisosomal y el factor transcripcional de autofagia EB (TfEB), así como el aumento de la 20 expresión de LC-3 y Beclin-1 (marcadores predictivos de cáncer colorrectal) contribuyen a suponer que la exposición a E171 y la inducción resultante de inflamación persistente podría estar asociada con un mayor riesgo de cáncer colorrectal. En conjunto, los estudios revisados sugieren que la exposición oral al E171 puede agravar y, si no iniciar, al menos promover el desarrollo y la progresión de lesiones preneoplásicas en el colón (Bischoff et al., 2020; Cornu et al., 2022; Rolo et al., 2022; Vieira et al., 2022). Como se sospecha que E171 altera las funciones de la barrera intestinal a través de la desregulación de las citocinas inflamatorias, la inmunosupresión y la alteración de la microbiota intestinal comensal, se puede esperar que los pacientes que ya padecen enfermedad inflamatoria intestinal sean un grupo de personas más susceptibles a los resultados adversos para la salud relacionados con el E171 (Bischoff et al., 2020; Cornu et al., 2022; Rolo et al., 2022; Vieira et al., 2022). Actualmente no está claro si el E171 es químicamente activo y un mutágeno, o si su modo de acción se limita a la formación de EROs, que promueven el crecimiento de tumores. Se dispone de muy poca información sobre la interacción directa del TiO2 con el ADN. La investigación de las respuestas humanas a la exposición al E171 y la comparación de los procesos biológicos moleculares observados in vitro e in vivo pueden ayudar a comprender mejor los efectos potencialmente dañinos tras la ingestión de TiO2 como aditivo (Bischoff et al., 2020; Vieira et al., 2022). 4.3.3 Sistema dérmico Los estudios in vitro e in vivo realizados cuestionan la nocividad de las NPs de TiO2 presentes en cosméticos y productos farmacéuticos que se administran por vía tópica. Existen controversias sobre la capacidad de las NPs de TiO2 para penetrar tanto en la epidermis como en la dermis vascularizada cuando se aplican por vía tópica. Si son capaces de penetrar y llegar al sistema circulatorio, las NPs pueden acumularse en los órganos y provocar efectos secundarios nocivos. También existe el debate de que si se aplican sobre la piel, el TiO2 iluminado por luz UV puede entrar fácilmente en contacto con la humedad de la atmósfera y generar EROs, los cuales actúan como mutágenos para las células dérmicas al provocar estrés oxidativo y roturas de la cadena de ADN (Racovita, 2022). Por ello, es esencial controlar minuciosamente las formulaciones de los protectores solares para verificar el tamaño de las NPs, su distribución por tamaños, la tasa de 27 6. Bibliografía 1.ANSES (Agence nationale de sécurité sanitaire de l’alimentation, de l’environnement et du travail). AVIS de l’Agence nationale de sécurité sanitaire de l’alimentation,de l’environnement et du travailrelatif aux risques liés à l’ingestion de l’additif alimentaire E171. 2019 [en línea]. [Consultado en Mayo 2023]. Disponible en: https://www.anses.fr/fr/content/avis-de-lanses-relatif-aux-risques-li%C3%A9s- %C3%A0-l%E2%80%99ingestion-de-l%E2%80%99additif-alimentaire-e171 2.Babitha S, Korrapati PS. 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