Silvana Fiorito e Felice Salsano, Dip. di Medicina Clinica, Centro di riferimento per la Sclerosi Sistemica, Sapienza Università di Roma Ist. Di Neurobiologia e Medicina Molecolare, CNR Roma
Chi avrebbe mai immaginato che una nuvola di ceneri vulcaniche avrebbe paralizzato l’Europa intera, bloccando la circolazione aerea e costringendo centinaia di migliaia di persone a bivaccare negli aereoporti o a cercare soluzioni di ripiego per poter tornare a casa? Il tutto con notevoli ricadute sui portafogli privati e sull’economia aziendale delle compagnie aeree coinvolte costrette a un riposo forzato e al rimborso dei biglietti non utilizzati. La recente eruzione del vulcano islandese ci ha improvvisamente fatto capire quanto un’elevata concentrazione nell’aria atmosferica di micro e nanoparticelle possa causare danni gravissimi, non solo agli esseri viventi, ma anche ai motori dei veicoli di comunicazione, che possono bloccarsi se tali particelle penetrano nei loro ingranaggi.
Il nanoparticolato atmosferico può essere di origine naturale, come quello presente nella cenere vulcanica, o di origine accidentale, come quello derivante dai gas di scarico dei motori diesel, o prodotto di sintesi che viene utilizzato per scopi industriali. Tanto per dare un’idea del significato di “dimensioni micrometriche e nanometriche” : un micrometro corrisponde alla milionesima parte di un metro e un nanometro corrisponde alla miliardesima parte di un metro. Una nanoparticella di alcuni nanometri di diametro e’ molto più piccola di una cellula (che misura alcuni micron) e può essere più’ piccola perfino di un virus ( che misura tra i 100 e i 150 nanometri). E’ facile quindi immaginare come più il particolato atmosferico – che viene a contatto con le mucose del nostro sistema respiratorio e con la cute – e’ di dimensioni nanometriche, maggiori saranno le sue capacità di penetrazione non solo nella profondità dell’albero respiratorio ma anche all’interno delle cellule con cui viene in contatto dopo la sua penetrazione nelle vie aeree.
Negli ultimi anni si è osservato un notevole aumento dell’incidenza di malattie del sistema bronco-polmonare, cardiocircolatorio e molto recentemente anche del sistema nervoso centrale soprattutto nei paesi industrializzati e ad alta densità di popolazione. Tale incremento e’ stato associato all’inquinamento ambientale indotto dal particolato presente nell’aria nelle zone urbane ed extraurbane ove esiste una aumentata concentrazione di gas di scarico e prodotti di combustione dei motori diesel di automobili e veicoli pesanti. Numerosi studi epidemiologici hanno infatti messo in evidenza che il materiale particolato ambientale ha effetti nocivi sulla salute ed e’ associato ad incremento della mortalità per cause polmonari e cardiovascolari. E’stato dimostrato che il particolato induce uno stato infiammatorio del parenchima polmonare rappresentato da danno delle piccole vie aeree (bronchioli e alveoli) e aumentata produzione di molecole infiammatorie e di specie reattive dell’ossigeno inducendo stress ossidativo ed esacerbando le reazioni allergiche respiratorie, inibisce la capacità di difendersi dagli agenti infettivi, può causare danno del DNA e dopo esposizione prolungata può indurre lo sviluppo di neoplasie polmonari. E’ stato osservato inoltre che ha effetti tossici sulle cellule della parete delle arterie umane, che fa aumentare la coagulazione sanguigna, e induce alterazioni ematologiche e alterazioni del sistema immunitario.
Studi recenti hanno dimostrato il ruolo tossico in particolare del particolato ultrafine derivante dalla combustione dei motori diesel. E’ stato dimostrato che tale particolato e’ in grado di indurre alterazioni cardiache e vascolari stimolando uno stato pro-trombotico e diminuendo la capacità vasomotoria della parete vascolare, danneggiare direttamente le cellule cardiache e alterarne la funzione, indurre risposta infiammatoria acuta della parete vascolare e vasocostrizione arteriosa periferica. Tutte queste manifestazioni possono essere considerate responsabili dello sviluppo di aterosclerosi e malattia ischemica delle coronarie, ipertensione arteriosa e patologie vascolari come la trombosi venosa profonda. Studi recenti hanno inoltre riportato alterazioni a carico del sistema nervoso centrale, caratterizzate da stato infiammatorio e degenerativo, sia nell’animale che nell’uomo. In uno studio effettuato in bambini e giovani adulti di aree urbane ad alta densità di inquinamento atmosferico, morti per cause accidentali, e’ stata dimostrata la presenza di nanoparticolato in alcune zone del cervello e di alterazioni biochimiche dello stesso , caratteristiche delle cerebropatie degenerative quali il morbo di Alzheimer. Negli studi citati, i segni dello stato infiammatorio-degenerativo del cervello erano significativamente più marcati nella popolazione esposta al più alto grado di inquinamento rispetto a quella meno esposta tanto da far ritenere che l’esposizione alla polluzione atmosferica possa essere considerata un fattore di rischio per malattie come l’Alzheimer’s e il Parkinson’s. Recentemente e’ stato anche riportato che l’esposizione prenatale al nanoparticolato induce alterazioni delle ghiandole endocrine maschili caratterizzate da riduzione della loro capacità di produrre spermatozoi e testosterone.
Il particolato ambientale (PM) e’ diviso in tre categorie a seconda delle sue dimensioni: ultrafino (inferiore a 0.1 micron), fino (inferiore a 2.5 micron) e grosso (tra 2.5 e 10 micron); quello convenzionalmente definito come PM10 include particelle con un diametro compreso tra 15 e 10 micron. La maggior parte degli studi epidemiologici e tossicologici pubblicati negli ultimi 3 – 4 anni si riferisce all’impiego di particolato PM10.
Al momento attuale la maggior parte degli studi sugli effetti dannosi o tossici del particolato ambientale riguarda prevalentemente particelle di dimensioni micrometriche e sono molto pochi gli studi tossicologici che valutano il potenziale rischio di particelle di diametro inferiore a 4 nanometri. E’ stato dimostrato che le particelle di dimensioni nanometriche sono molto più tossiche di quelle di dimensioni micrometriche in quanto hanno una maggiore capacità di penetrare all’interno di diversi tipi cellulari e di venire in contatto con strutture che sono contenute nello spazio intracellulare, interferendo quindi con le funzioni vitali delle cellule. Le particelle fini e ultrafini si depositano sulle superfici esposte, cute e mucose delle prime vie aeree, e, date le loro dimensioni, vengono assorbite da questi tessuti. L’assorbimento e’ tanto maggiore quanto più i suddetti tessuti si trovano in condizioni di non perfetta integrità, quali stati infiammatori acuti e/o cronici delle mucose delle vie respiratorie e danni dello strato superficiale dell’epidermide da radiazioni UVA e UVB. Le nanoparticelle, una volta respirate vengono inalate attraverso le prime vie aeree e, dopo essersi depositate sulle mucose, traslocano nelle vie respiratorie più profonde aiutate dal sottile film mucoso presente su queste. Quindi possono interagire con le cellule di rivestimento della mucosa delle vie respiratorie e quelle presenti nello strato sottostante. Da qui possono poi raggiungere e penetrare nel tessuto polmonare e depositarvisi, immettersi nel lume dei capillari sanguigni e, attraverso il sistema circolatorio, raggiungere sia le cellule del sangue, sia arrivare ad altri organi ( fegato, milza, reni, cuore e cervello) ed ivi permanere anche a lungo.
In un nostro recente studio abbiamo dimostrato che il nanoparticolato di motori diesel penetra in alcune cellule sanguigne umane sulle quali esercita effetti tossici e infiammatori e che tale effetto e’ in stretta relazione con le dimensioni delle nanoparticelle e con la loro struttura fisico-chimica.
Al momento attuale l’evento primo della induzione della Sclerodermia in soggetti geneticamente predisposti non è noto. Molteplici aspetti della patogenesi di questa malattia devono ancora trovare una spiegazione. E’ stato dimostrato che stimoli ambientali (virus, sostanze chimiche, cloruro di vinile, silice, etc.) possono indurre manifestazioni cliniche simil-sclerodermiche. Il nostro gruppo di ricerca, insieme al gruppo del Prof. Ferraccioli, ha intrapreso uno studio per valutare la possibilità che nanoparticelle ambientali siano in grado di stimolare una risposta infiammatoria in cellule immunocompetenti di soggetti geneticamente predisposti ad ammalarsi di Sclerodermia. Ci prefiggiamo di verificare se nanoparticelle provenienti da gas di scarico di motori diesel di differente generazione possono stimolare il rilascio di molecole infiammatorie capaci di indurre un danno endoteliale e/o fibrosi da parte di cellule cutanee e della parete vascolare in soggetti affetti da Sclerosi Sistemica esposti a materiale nanoparticolato ambientale.
Infine, uno degli scopi della ricerca e’ quello di suggerire adeguate modifiche nella produzione dei nuovi motori in grado di minimizzare i rischi derivanti dall’esposizione a emissioni nocive e di fornire indicazioni su appropriate misure di protezione da adottare in caso di esposizione ad alte concentrazioni di inquinamento ambientale.
Immagine al microscopio elettronico che mostra nanoparticolato da gas di scarico di motori diesel all’interno di cellule polmonari