Farmacocinética y Aspectos Forenses del Alcohol

1. Farmacocinética y Aspectos Forenses del Alcohol Arthur I. Cederbaum Mount Sinai School of Medicine New York 10029, NY

2. Farmacocinética del Etanol, Metabolismo y Aspectos Forenses • El objetivo de esta conferencia es describir las vías bioquímicas que juegan algún rol en el metabolismo del etanol. • Las vías se describirán con respecto a las enzimas involucradas, los factores que regulan el flujo por estas vías, y cómo éstas tienen un impacto sobre las vías fisiológicas normales que participan en el metabolismo de nutrientes y drogas. • Se revisarán los efectos del consumo crónico de etanol sobre el metabolismo del etanol y del acetaldehído, incluyendo los factores que podrían ser responsables de la tolerancia metabólica. • Se revisarán los factores que influyen en la absorción y eliminación del etanol.

3. ¿Por qué es Importante Entender las Vías del Metabolismo del Etanol? • Aprender cómo el cuerpo elimina el etanol y sus metabolitos. • Discernir algunos de los factores que influyen en este proceso. • Aprender cómo el etanol influye en el metabolismo de nutrientes y drogas, y cómo modula la eficacia terapéutica de éstas. • Podría ayudar a aprender cómo el etanol daña varios órganos. • Podría permitir la identificación de personas que presentan alto o bajo riesgo de toxicidad por alcohol.

4. Distribución del Etanol en el Cuerpo • La concentraión de equilibrio del etanol en un tejido depende del contenido relativo de agua de ese tejido. La velocidad de equilibrio del etanol con un tejido depende de: Permeabilidad (contenido de agua) Flujo sanguíneo Masa del tejido • El etanol es prácticamente insoluble en grasas y aceites, aunque tal como el agua, puede pasar fácilmente a través de membranas biológicas. • El etanol se distribuye de la sangre a los tejidos y líquidos en proporción a su contenido relativo de agua. La concentración de etanol en un tejido depende del contenido relativo de agua del tejido, y alcanza rápidamente el equilibrio con la concentración de etanol en el plasma. No hay proteínas plasmáticas que se unan al etanol.

5. Factores que Afectan la Absorción del Etanol 1. Concentración de etanol 2. Flujo sanguíneo al sitio de absorción 3. Propiedades irritantes 4. Velocidad de ingesta del etanol 5. Tipo de bebida 6. Alimentos La absorción del etanol desde el duodeno y yeyuno es mucho más rápida que desde el estómago, por lo tanto, la velocidad de vaciamiento gástrico es un determinante importante de la velocidad de absorción del etanol administrado por vía oral.

6. Metabolismo de Primer Paso del Etanol en el Estómago Una parte del etanol que se ingiere por vía oral no entra a la circulación sistémica, sino que puede oxidarse en el estómago por isoformas de la ADH comos- (om)-ADH y la ADH de clase I y clase III. Este metabolismo de primer paso podría modular la toxicidad del etanol pues su eficiencia determina la biodisponibilidad del etanol.

7. 1. Menos de un 10 % del etanol es excretado en respiración, sudor y orina. 2. ~ 90 % del etanol es removido por oxidación. 3. La mayoría de la oxidación del etanol ocurre en el hígado. 4. El etanol no se puede almacenar en el hígado. 5. No hay grandes mecanismos de retroalimentación para regular la velocidad de metabolismo etílico según las condiciones fisiológicas del hepatocito. Esquema General de la Oxidación del Etanol ADH + + + + + NAD O H H NADH O O H ALDH + + + + + NADH O NAD H O S C o A O H C O 2 O O Ácidos grasos Cuerpos cetónicos Colesterol Fatty acids Ketone bodies Cholesterol

8. Cinética de Eliminación del Etanol In-vivo 1 2 3 4 Co BAC or BrAC b Tiempo [Horas]

9. Constanteaa b1b1 b2b2 b3b31g1 g2g2 pp Km NAD+,mM 13 7,4 180 530 7,9 8,7 14 Km etanol, mM 4,2 0,049 0,94 24 1 0,63 34 Ki 4-metilpirazol, mM 1,1 0,13 - 2,1 0,1 - 2000 Vmax min-1 27 9,2 400 300 87 35 20 pH-óptimo 10,5 10,5 8,5 7,0 10,5 10,5 10,5 Alcohol Deshidrogenasa Crabb y cols. 1987 & Bosron y cols. 1993 ¿Función Fisiológica? Isoformas-¿Por qué tantas? Localización-consecuencia en la función hepática. Desarrollo.

10. Factores que Modifican la Velocidad de Eliminación del Etanol Hay una variabilidad de 3-4 veces en la velocidad de eliminación del etanol en los seres humanos debido a factores genéticos y ambientales, que son sexo, edad, raza, alimentación, ritmos biológicos, ejercicio, alcoholismo y drogas.

11. Alcohol Deshidrogenasa • El control de la actividad de la ADH es complejo • La disociación del producto NADH es el paso limitante de la velocidad. • Sujeta a inhibición del producto por NADH y acetaldehído. • Sujeta a inhibición de sustrato por altas concentraciones de etanol.

12. Frecuencia de alelos de ADHen Poblaciones Raciales Frecuencia de Alelos de ADH en Poblaciones Raciales Blancos Americanos Blancos Europeos Japoneses Negros Americanos Bosron y cols. 1993 & Crabb 1995

13. Estado Redox Hepático • Las reacciones ADH y ALDH usan NAD+ y producen NADH. • Estado Redox Citosólico. • Estado Redox Mitocondrial. • Efectos sobre el Metabolismo Hepático.

14. Reoxidación de NADH Generada por la Reacción ADH • Es necesario reoxidar el NADH para convertirlo nuevamente en NAD+. • Las vías citosólicas no son suficientes. • NADH debe ser reoxidado por la vía de transferencia • de electrones mitocondrial que se muestra abajo.

15. Transportadores de Sustratos

16. Oxidación de Etanol Dependiente de Catalasa CH3CH2OH + H2O2 CH3CHO + 2H2O La catalasa, una enzima hem, se encuentra en la fracción peroxisomal de la célula. Es una enzima antioxidante importante ya que normalmente cataliza la remoción de H2O2. H2O2 + H2O2 2H2O + O2

17. Oxidación Microsomal(Citocromo p450) del Etanol NADPH + CH3CH2OH --------------->> NADP+ + CH3CHO + 2H2O Función de CYP2E1 Rol en la Oxidación del Etanol Inducibilidad CYP2E1 + O2 + H+

18. Interacciones Alcohol-Drogas:El sistema CYP2E1 puede explicar: • La mayor sensibilidad de los bebedores activos a ciertas drogas. • La resistencia de los alcohólicos, en ausencia de etanol, a ciertas drogas. • La mayor toxicidad de ciertos químicos en alcohólicos. • Estrés oxidativo dependiente de etanol.

19. Adaptación Metabólica (Tolerancia) Además de la adaptación del SNC, los alcohólicos (en ausencia de hepatopatía) a menudo muestran una mayor velocidad de depuración del etanol sanguíneo. Esto se llama tolerancia o adaptación metabólica. Los mecanismos sugeridos incluyen: 1. Inducción de ADH. 2. Mayor capacidad de transporte. 3. Mayor reoxidación de NADH. 4. Inducción de CYP2E1. 5. Liberación de citokinas o prostaglandinas que aumentan el consumo de oxígeno de los hepatocitos.

20. Metabolismo Zonal del Etanol en el Acino Hepático El daño hepático tras el consumo crónico de etanol se origina en la zona perivenosa del lóbulo hepático. Posibles factores que expliquen esto incluyen: 1. Oxigenación 2. Metabolismo del etanol por la ADH 3. Metabolismo del acetaldehído por la ALDH 4. CYP2E1 5. Niveles de antioxidantes

21. Otras Posibles Vías de Metabolismo del Etanol • Reacciones de conjugación. • Etil ésteres de ácidos grasos. • Reacciones dependientes de radicales de oxígeno.

22. Metabolismo del Acetaldehído El equilibrio entre las variadas isoformas de ADH y ALDH regula la concentración de acetaldehído, importante factor de riesgo para el desarrollo de alcoholismo. 1. Isoformas de ALDH 2. Efectos del consumo de alcohol 3. Drogas que producen rechazo al alcohol 4. Significación de la eliminación del acetaldehído

23. Consideraciones Forénsicas Desfase en el tiempo. Velocidad de Eliminación del Alcohol. Coeficiente de Partición. Fluctuaciones y Anomalías. Extrapolación a tiempos anteriores. Otros factores.

24. Niveles de Alcohol en Aliento Alcohol en aliento [mg por 230 L] Tiempo [Horas]

25. Preguntas a ser consideradas • Qué limita y regula el metabolismo del etanol in vivo? • Cual es (son) los mecanismos responsables de la tolerancia metabólica? • Es el etanol por si mismo o sus metabolitos los que causan el daño orgánico? • Cuál es el significado del metabolismo de primer paso por el estómago? • Cuál es el rol de las varias ADH en la oxidación de sustratos endógenos, el metabolismo del etanol y su toxicidad? (Considerar por ejemplo el paso de retinol a retinal y acido retinoico).

26. Preguntas a ser consideradas-II • Pueden las varias formas polimórficas de ADH, ALDH o CYP2E1 ser predictores o marcadores de individuos que desarrollarán alcoholismo? Pueden desarrollarse métodos no invasivos para medir cada una de estas isoformas • Existen diferencias poblacionales o de género en el metabolismo del etanol y si es asi, está relacionado con las isoformas de estas enzimas? • Qué controla al nivel transcripcional la expresión de las difersas isoformas? Existen modificaciones posttranscripcionales? Qué determina el recambio del las diversas enzimas y qué regula la cantidad de CYP2E1 activo?

27. Preguntas a ser consideradas-III • Porqué las calorias derivadas del etanol son menos eficientes en proporcionar energía que las derivadas por otros nutrientes? • Cuál es el role del acetato, si existe, en las acciones metabólicas del etanol? • Podremos construir modelos y ecuaciones cinéticas para describir adecuadamente el proceso de metabolismo del etanol en diversas condiciones?