1. INTRODUCCIÓN
La toxicología acuática es un campo de la ciencia medioambiental que estudia los efectos de los contaminantes químicos en los organismos acuáticos, contribuyendo a la bio-complejidad con un gran número de especies en varios niveles de organizaciones biológicas, incluidos peces, invertebrados y algas. Los estudios toxicológicos acuáticos tradicionales suelen centrarse en la búsqueda de las concentraciones letales agudas y los impactos crónicos, subletales y subagudos de los contaminantes en el comportamiento, la fisiología, la histología y la ecología de los organismos acuáticos con un enfoque multidisciplinar. Sin embargo, con los rápidos avances de las tecnologías genómicas, se ha producido un cambio hacia la comprensión de cómo afectan los contaminantes a los organismos a nivel genético y molecular.
El campo de la toxicología acuática ha experimentado una importante transformación en las últimas décadas con la aparición de las tecnologías ómicas, como la genómica, la transcriptómica, la proteómica y la metabolómica, que ofrecen un enfoque exhaustivo y de alto rendimiento para estudiar las complejas interacciones entre los organismos acuáticos y su entorno. Dentro de la evolución de los métodos de biología molecular, los enfoques «ómicos» están en auge en todo el mundo desde principios de los años noventa. Las ómicas son un campo de estudio de la biología cuyo objetivo es analizar exhaustivamente los sistemas biológicos examinando diversas moléculas o componentes de un organismo o ecosistema. Las técnicas moleculares se han utilizado intensivamente en mamíferos, especialmente en humanos, pero su uso en toxicología acuática es muy reciente y nos proporcionará una comprensión más clara de los mecanismos moleculares que subyacen a los efectos de los contaminantes ambientales en los organismos acuáticos.
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El término ecotoxicogenómica describe los estudios que analizan la respuesta adaptativa a la exposición tóxica a nivel transcriptómico, proteómico y metabolómico. En toxicología acuática, los enfoques ómicos son cada vez más importantes para comprender las complejas interacciones entre los organismos acuáticos y su entorno con los impactos de los contaminantes en los organismos acuáticos y los ecosistemas.
El uso de biomarcadores («Una variación bioquímica, celular, fisiológica o de comportamiento que puede medirse en muestras de tejidos o fluidos corporales o a nivel de organismos enteros y que proporciona pruebas de la exposición a y/o los efectos de, uno o más contaminantes químicos (y/o radiaciones)»), indicadores de alerta temprana de los efectos de los contaminantes, siempre se anticipan a las respuestas tempranas a nivel del genoma en los niveles jerárquicos altos. La jerarquía de las acciones de los tóxicos en los sistemas acuáticos se resume en la Fig. 9.1.
Como se observa en la Fig. 9.1; (1) Los tóxicos afectan primero al individuo o a su genoma. Los efectos de los tóxicos sobre la población también pueden observarse si la exposición al tóxico afecta directa o indirectamente a la reproducción o a la mortalidad de los individuos. (2) Las poblaciones afectan al ecosistema, debido a las interacciones entre especies. (3) Los genomas de los individuos se ven afectados toxicológicamente por las respuestas funcionales de los organismos. Por lo tanto, los tóxicos afectan biológicamente a los individuos de algunas especies, lo que hace que las respuestas funcionales de los individuos sean primarias en la jerarquía de efectos de los tóxicos.
Figura 9.1. Jerarquía de acciones tóxicas (Source: Nikinmaa, 2014)
El objetivo de esta LO es presentar una visión general de los últimos estudios de casos de toxicología acuática que utilizan métodos in vitro con enfoque ómico, haciendo hincapié en los efectos ecotoxicológicos sobre los cambios genómicos, transcriptómicos, proteómicos y metabolómicos (Fig. 9.2).
Figura 9.2. Las tecnologías ómicas en la toxicología acuática (Source: Kayode-Edwards et al. 2024)
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2. CONTEXTO (CONCLUSIONES)
2.1. Genómica en toxicología acuática
La genómica en toxicología acuática permite a los investigadores investigar los mecanismos moleculares subyacentes a las respuestas tóxicas, ofreciendo una comprensión más profunda y completa de cómo afectan los contaminantes a los ecosistemas acuáticos. La genómica proporciona información valiosa sobre cómo influyen los contaminantes en la expresión génica, la mutación y la integridad genómica general de los organismos acuáticos, y puede utilizarse para determinar qué genes de todo el genoma de un organismo intervienen en su vida útil. Con el desarrollo de la tecnología, se han estudiado los códigos genéticos de muchos organismos acuáticos. Inicialmente, el fugu (Takifugu rubripes) y el pez globo (Tetraodon nigroviridis) se consideraron los mejores modelos genómicos por el tamaño compacto de su genoma en comparación con el genoma humano, a lo que siguió la finalización de la secuenciación genómica del espinoso tridáctilo (Gasterosteus aculeatus) y el pez cebra (Danio rerio). En la Tabla 9.1 se revisan los casos recientes de genómica en toxicología acuática.
Tablo 9.1. Casos prácticos recientes de genómica en toxicología acuática
| Organismos acuáticos | Tóxico | Resultados | Más información sobre referencias |
| Danio rerio | Cadmio | La metilación del ADN se produce en la exposición al cadmio y se producen cambios epigenéticos en los genes sensibles a los estrógenos. | Pierron et al. 2023 |
| Danio rerio | Antimonio | Aumento de los polimorfismos de nucleótido único (SNP) no sinónimos en las regiones de genes codificantes. | Yao et al. 2023 |
| Danio rerio | Ftalato de dibutilo | El aumento del estrés oxidativo debido a la exposición a sustancias alteró las funciones mitocondriales, lo que provocó estrés oxidativo en las mitocondrias. | Fan et al. 2024 |
| Mytilus galloprovincialis | Micropartículas de tereftalato de polietileno | Se observó un aumento de la metilación del ADN y de la expresión génica de los receptores tipo Toll en los mejillones expuestos a microplásticos. | Park et al. 2024 |
Aprende: Genómica en Toxicología Acuática
Aprende: Genómica funcional en toxicología acuática
Aprende: Enfoques genómicos con poblaciones naturales de peces procedentes de entornos contaminados
Aprende: Investigación sobre fisiología y genómica de los peces (vídeo)
2.2. Transcriptómica en toxicología acuática
La transcriptómica se centra en los estudios de todo el transcriptoma de un organismo, incluidas todas las moléculas de ARN transcritas a partir de su genoma estudios de todo el transcriptoma de los organismos. Los métodos utilizados en el análisis transcriptómico incluyen la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) cuantitativa en tiempo real y el análisis de microarrays, y los estudios se iniciaron a principios de los años 90′. Tal vez sea posible reducir los ensayos con animales y acelerar el cribado de sustancias químicas utilizando la transcriptómica para caracterizar, categorizar y predecir la toxicidad de las sustancias químicas in vitro. Las respuestas transcriptómicas obtenidas de organismos tomados de hábitats naturales o de organismos en experimentos controlados en el entorno del laboratorio son las respuestas de las células y, por tanto, del organismo a estos factores de estrés. Cuando se combinan con otros bioindicadores, los estudios transcriptómicos también permiten identificar biomarcadores moleculares que pueden emplearse para una vigilancia eficaz de la exposición química en los organismos acuáticos. Los análisis transcriptómicos pueden reflejar los cambios fisiológicos de los organismos a nivel molecular, con el desarrollo de métodos a gran escala y de alto rendimiento. En la Tabla 9.2 se revisan los estudios transcriptómicos recientes sobre toxicología acuática.
Tabla 9.2. Casos prácticos recientes de transcriptómica en toxicología acuática
| Organismos acuáticos | Tóxico | Resultados | Más información sobre referencias |
| Cyprinus carpio | Nanopartículas de plata (AgNPs) | Los niveles de transcriptoma y metaboloma de las branquias de los peces fueron activados por las AgNPs tras una exposición de 24 h. | Xiang et al. 2021
|
| Mytilus edulis | Estrés hipóxico | Se observaron cambios en los transcriptomas responsables de las actividades de los orgánulos durante las primeras fases de las condiciones hipóxicas. | Hall et al. 2023 |
| Mytilus galloprovincialis | Decabromodifenil etano | Los genes relacionados con la homeostasis del colesterol se modificaron en individuos femeninos y masculinos bajo el efecto de la sustancia. Además, se produjeron efectos sobre los genes reproductivos. | Wang et al. 2023 |
| Sander vitreus | Estrés hipóxico | Se ha demostrado que las condiciones hipóxicas están asociadas a transcriptomas relacionados con el catabolismo proteico, la reparación del ADN, las chaperonas moleculares y la regulación iónica. | Jeffrey et al. 2023 |
| Platax teira | Estrés térmico | Se identificaron genes expresados diferencialmente en eventos de división celular y metabolismo en peces sometidos a estrés térmico. | Liu et al. 2023 |
| Mytilus trossulus | Norfluoxetina | En las hembras, se estimuló la síntesis y el transporte de serotonina, acelerando la formación de gametos. En los machos, los niveles de serotonina disminuyeron, retrasando la maduración de los espermatozoides. Así, los análisis transcriptómicos revelaron que la sustancia tenía efectos sobre la gametogénesis. | Goździk et al. 2024 |
Aprende: Respuestas transcriptómicas de los peces en toxicología ambiental
2.3. Proteómicos in Toxicología Acuática
Enfoques proteómicos, que permiten el examen de post-transcripcional puede proporcionar información valiosa sobre los mecanismos nocivos de xenobióticos y ayudar en el descubrimiento de biomarcadores. Los estudios proteómicos con tres tecnologías principales de electroforesis, cromatografía y espectrometría de masas, obtuvieron los resultados a través de la interpretación de la bioinformática. El término «ecotoxicoproteómica» es un área de estudio de tendencia desarrollada en las últimas décadas, como una poderosa herramienta para analizar proteínas predeterminadas a través de diferentes muestras. La proteómica en toxicología acuática se centra en la comprensión de cómo la exposición a tóxicos, como metales pesados, pesticidas, productos químicos que alteran el sistema endocrino (EDC) y productos farmacéuticos, afecta al proteoma, es decir, a todo el conjunto de proteínas expresadas por un organismo en un momento dado. En la Tabla 9.3 se revisan los estudios de casos recientes de proteómica sobre toxicología acuática.
Aprende: Proteómica de modelos de peces en toxicología ambiental
Aprende: Revisión de aplicaciones proteómicas recientes en toxicología acuática
Aprende: Evaluación de métodos de muestreo de mucosa de pescado para análisis proteómicos (vídeo)
Tabla 9.3. Casos prácticos recientes de proteómica en toxicología acuática
| Organismos acuáticos | Tóxico | Resultados | Más información sobre referencias |
| Chlorella sp. | Alfa-cipermetrina | Se identificaron 53 proteínas que mostraron una acumulación diferencial con la exposición a la sustancia en importantes eventos metabólicos celulares como la fotosíntesis, el metabolismo de los carbohidratos, la división celular y el metabolismo de los lípidos. | Chanu et al. 2023 |
| Danio rerio
(embryo) |
Benzoato de bencilo | Se descubrió que 83 proteínas expresadas diferencialmente estaban implicadas en diferentes actividades biológicas, como la traducción, el proceso biosintético de amidas, el transporte de lípidos, la respuesta al estrés y la actividad citoesquelética. | Kwon et al. 2023 |
| Alosa pseudoharengus,
Myoxocephalus thompsonii, Salvelinus namaycush |
Sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas (PFAS) | Se observó que la exposición a PFOS contenía proteínas séricas similares en las tres especies de peces. Sólo se observó albúmina en Salvelinus namaycush. Las apolipoproteínas resultaron ser la principal proteína sérica en las otras dos especies. | Point et al. 2023 |
| Danio rerio
(embryo) |
Cobre | Provocó una mayor diferenciación del proteoma en embriones de peces. Aparte del estrés oxidativo, los eventos respiratorios celulares y la neurotransmisión, se demostró que los aminoácidos prolina, glicina y alanina causan proteínas expresadas diferencialmente. | Green et al. 2024 |
| Danio rerio | Glifosato y sus metabolitos ácido aminometil-fosfónico | Se observaron cambios en el proteoma en los eventos de respiración celular y en las reacciones del metabolismo de carbohidratos y lípidos a la exposición a sustancias. | Morozov & Yurchenko 2024 |
2.4. Metabolómica en toxicología acuática
El análisis metabolómico puede proporcionar información sobre las vías metabólicas alteradas por la exposición a contaminantes, identificar biomarcadores metabólicos de exposición o efecto y comprender mejor las respuestas fisiológicas de los organismos a los contaminantes (Fig. 9.3).
Figura 9.3. El esquema de las distintas asociaciones de datos que vinculan las exposiciones pone de relieve el uso de la metabolómica para estudiar las reacciones moleculares a la exposición a contaminantes químicos. (Source: Bedia 2022)
La metabolómica, el análisis exhaustivo de los metabolitos en los sistemas biológicos, se ha convertido en una herramienta fundamental en toxicología, especialmente en toxicología acuática, para comprender los efectos moleculares de los contaminantes ambientales en los organismos acuáticos. A diferencia de otras tecnologías ómicas, se trata de un método cercano al fenotipo celular. Dado que permite el perfilado simultáneo del metaboloma («metabolitos endógenos cuyos niveles se alteran debido a un factor estresante externo») y del xenometaboloma («xenobióticos químicos y sus metabolitos acumulados en un organismo expuesto a contaminantes ambientales»), la (xeno)metabolómica ambiental ofrece una ventaja significativa sobre otros enfoques para la evaluación de la exposición de los organismos acuáticos a aguas contaminadas. La (xeno)metabolómica ambiental sólo se ha empezado a utilizar recientemente en estudios de campo, aunque este método se ha investigado ampliamente en experimentos de exposición en laboratorio. En la Tabla 9.4 se revisan los estudios de caso recientes de metabolómica en toxicología acuática.
Tabla 9.4. Estudios de caso recientes de metabolómica en toxicología acuática
| Organismos acuáticos | Tóxico | Resultados | Más información sobre referencias |
| Daphnia magna | Fenoxicarb | Los metabolitos que se producen durante el ciclo reproductivo cambian. | Jeong and Simpson, 2020 |
| Danio rerio | Bisfenol A | Las concentraciones de derivados lipídicos (triglicéridos, diglicéridos, fosfatidilcolina y fosfatidilinositol) aumentaron. | Martinez et al. 2020 |
| Danio rerio | Microplásticos de poliestireno | Se ha comprobado que la exposición a sustancias tiene efectos sobre el metabolismo de los lípidos. | Dimitriadi et al. 2021 |
| Danio rerio | Estrés térmico Microplásticos de poliestireno | Se ha descubierto que la exposición a sustancias tiene efectos sobre el metabolismo de los lípidos, incluido el ácido araquidónico, oleico y estearidónico. | Sulukan et al. 2022 |
| Danio rerio (embryos) | 6-propil-2-tiouracilo | El metaboloma aporta pruebas de la inducción de toxicidad (neuro)evolutiva. El 6-propil-2-tiouracilo (PTU) disminuyó los niveles de metionina, aumentó los de tirosina, ácido pipecólico y lisofosfatidilcolina. | Wilhelmi et al. 2023
|
| Daphnia magna | Ti3C2Tx | Provocó cambios significativos en hasta 265 y 191 metabolitos diferenciales y estos metabolitos son sustancias implicadas en el metabolismo de lípidos y aminoácidos | Xiang et al. 2024 |
Aprende: (Xeno)metabolómica para la evaluación de organismos acuáticos
Aprende: Efectos metabolómicos del estrés térmico leve en el plasma de la trucha arco iris (vídeo)
3. ALTERNATIVES
En los estudios de toxicidad acuática, las pruebas de toxicidad tradicionales se realizaban en modelos in vivo de organismos acuáticos. En los últimos años, se han desarrollado modelos alternativos debido al desarrollo de técnicas in vitro y modelos informáticos de sistemas.
Los métodos basados en cultivos celulares pueden ser útiles para evaluar los efectos tóxicos de los agentes tóxicos, proporcionando un cribado de alto rendimiento de varias sustancias químicas juntas. Estos métodos pueden evitar problemas éticos, reducir costes y obtener resultados más rápidos en poco tiempo. Por ejemplo, los análisis de contaminantes pueden realizarse con cultivos celulares desarrollados a partir de organismos de peces. Estos modelos, así como la genómica, la proteómica y la metabolómica, pueden redefinir la toxicología acuática al proporcionar una visión en profundidad de las reacciones biológicas de las especies a los contaminantes. Así, estos métodos permiten identificar nuevos biomarcadores y vías afectadas por las sustancias tóxicas.
En las últimas décadas, los modelos in silico y el aprendizaje automático han surgido como instrumentos cruciales para mejorar los resultados toxicológicos predictivos sin depender de organismos vivos. El enfoque in silico puede estimar la toxicidad basándose en la estructura química y las interacciones biológicas conocidas, lo que reduce la necesidad de realizar ensayos exhaustivos con animales. Además, los modelos de relación cuantitativa estructura-actividad (QSAR) y los algoritmos de aprendizaje profundo multitarea pueden correlacionar la estructura química con la actividad biológica, permitiendo evaluaciones de riesgo basadas en datos existentes.
4. SOLUCIONES
4.1. Integración de las tecnologías ómicas
La integración de las tecnologías ómicas mejora la comprensión de las respuestas complejas y adversas de los efectos tóxicos, permitiendo una visión más holística de las respuestas de los organismos a los contaminantes. Los datos procedentes de diferentes tecnologías ómicas se utilizan para analizar de forma exhaustiva las interacciones biológicas complejas. Los objetivos de los estudios de toxicidad son prevenir o gestionar los efectos adversos para la salud del organismo mediante el estudio exhaustivo de los mecanismos básicos, especialmente en la toxicidad inducida por xenobióticos. La integración de las tecnologías ómicas en el medio ambiente se resume en la Fig. 9.4.
4.2. Limitaciones y retos de la ómica en la toxicología acuática
Aunque las técnicas ómicas se han utilizado eficazmente para evaluar los efectos de los tóxicos en los organismos acuáticos, aún se requieren mejoras para su aplicación práctica en programas de regulación y seguimiento. Las principales limitaciones y retos de las técnicas ómicas en toxicología acuática son los siguientes:
- Variabilidad natural (variaciones biológicas y ambientales)
- Interpretación de los datos
- Disponibilidad limitada de las bases de datos de referencia para especies acuáticas no modelo
- Complejidad de los datos y dificultad para comprender la interacción entre las diversas vías biológicas y los efectos tóxicos
- Falta de normalización y validación de las tecnologías ómicas
- Evaluación de las complejas mezclas de contaminantes en los medios acuáticos
5. RECOMENDACIONES (CONCLUSIONES)
Las tecnologías ómicas tienen muchos usos en la toxicología acuática, como la identificación de biomarcadores para la vigilancia ambiental, la comprensión de las respuestas específicas de cada especie a los contaminantes y el análisis de los efectos de mezclas complicadas de contaminantes. Estas tecnologías son útiles para generar la visión mecanicista de las respuestas biológicas asociadas a la salud de los animales acuáticos y a la exposición a factores de estrés ambiental, así como a las medidas de conservación de especies acuáticas amenazadas.
La integración de los datos ómicos con otros datos ambientales, como los parámetros de calidad del agua y las evaluaciones ecológicas, mejorará nuestra capacidad para predecir y mitigar los efectos de los contaminantes en los ecosistemas acuáticos.
Los avances en el campo de la ómica tienen importantes implicaciones para la práctica de la evaluación de riesgos y la toma de decisiones normativas. Los avances en las tecnologías de secuenciación y las herramientas bioinformáticas están haciendo que los análisis ómicos sean más accesibles y rentables.
Para la futura integración de los datos ómicos en la evaluación y gestión de riesgos serán necesarios protocolos normalizados bien definidos que incorporen controles de calidad y pruebas de validez.
Figure 9.4. Integration of omics technologies in the environment (Source: Colli-Dula et al. 2022)
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