Come le nanoparticelle inalate contribuiscono alle malattie vascolari

Relazione

Miller MR, Raftis JB, Langrish JP, et al. Le nanoparticelle inalate si accumulano nei siti di malattia vascolare.ACS Nano. 2017;11(5):4542-4552.

Obiettivo

Determinare se le nanoparticelle inalate causano direttamente malattie cardiovascolari (CVD) spostandosi attraverso i polmoni o semplicemente innescando risposte infiammatorie sistemiche.

Bozza

Questo articolo riporta i risultati di una serie di studi clinici e su animali, ciascuno progettato per rispondere a una domanda specifica su come le nanoparticelle contribuiscono alle malattie cardiovascolari. In ogni studio, i partecipanti sono stati esposti a nanoparticelle d’oro tramite inalazione (esseri umani) o instillazione diretta attraverso la trachea (topi), seguite da campioni di sangue, urina o tessuti.

Partecipante

Il primo (N=14 uomini) e il secondo (N=19) studi hanno coinvolto volontari umani sani; I partecipanti al terzo studio sull'uomo erano pazienti che avevano recentemente subito un incidente cardiovascolare e dovevano essere sottoposti a endoarteriectomia carotidea (N = 12). Il primo esperimento sui roditori includeva topi normali; il secondo ha coinvolto topi knockout per l'apolipoproteina E (ApoE-/-) che sono stati alimentati con una dieta ricca di grassi per accelerare lo sviluppo di lesioni aterosclerotiche.

Interventi

In tutti gli esperimenti, i partecipanti sono stati esposti a nanoparticelle d’oro, ma la dimensione delle particelle e la durata dell’esposizione variavano. I partecipanti al primo studio sull'uomo sono stati esposti a una media di particelle da 3,8 nm per 2 ore; Nel secondo studio sugli esseri umani, 10 sono stati esposti a particelle piccole (~4 nm) e 9 a particelle grandi (34 nm). Nel primo esperimento sugli animali, i topi sono stati esposti a diverse dimensioni da 2 a 200 nm; Nel secondo esperimento sugli animali, i topi sono stati esposti a particelle da 5 nm per 5 settimane. Nel terzo studio sull’uomo, 3 dei 12 pazienti sono stati esposti a nanoparticelle d’oro inalate (5 nm) per 4 ore prima dell’intervento chirurgico.

Le conoscenze derivanti da questo studio possono aiutarci a evitare aumenti di morbilità incoraggiando l’implementazione di pratiche di produzione e manipolazione sicure per ridurre le esposizioni accidentali.

Sono state utilizzate nanoparticelle d'oro perché sono di dimensioni simili alle nanoparticelle derivate dalla combustione ma hanno una bassa attività biologica; sono anche più facili da misurare. Poiché i livelli di oro endogeno nel sangue sono bassi, i ricercatori potrebbero presumere che qualsiasi materiale rilevato sia stato ottenuto sperimentalmente.

Parametri di destinazione

Concentrazioni di nanoparticelle d'oro nel sangue, nelle urine e nel tessuto della placca carotidea (esperimento sugli animali 2 e sull'uomo 3). Il contenuto di oro è stato determinato utilizzando la spettroscopia di massa al plasma accoppiato induttivamente ad alta risoluzione (HR-ICPMS) e la microscopia Raman.

Risultati

L'oro è stato rilevato nel sangue di volontari sani esposti a nanoparticelle inalate entro 15 minuti ed era ancora presente 3 mesi dopo l'esposizione. Le concentrazioni erano significativamente più elevate dopo l'inalazione di particelle più piccole (4-5 nm) rispetto a particelle più grandi (30+ nm). Nei topi, l’accumulo era significativamente maggiore nelle particelle più piccole (<10 nm) rispetto a quelle più grandi (10–200 nm).

Sia negli studi sull’uomo che sugli animali, le nanoparticelle d’oro si accumulavano preferenzialmente in aree di maggiore infiammazione, in particolare nelle lesioni vascolari. Gli autori concludono che le nanoparticelle d’oro inalate entrano rapidamente nella circolazione sistemica e si accumulano nei siti di infiammazione vascolare. Ciò fornisce un meccanismo diretto che spiega l’associazione tra nanoparticelle ambientali e malattie cardiovascolari.

Implicazioni cliniche

Negli ultimi anni, vari studi hanno riportato associazioni significative tra l’esposizione per inalazione alle nanoparticelle provenienti dai gas di scarico dei veicoli e il rischio di morbilità e mortalità. Ora abbiamo una spiegazione decente del perché e del come ciò accade. Inoltre, la rapida crescita della produzione e dell’uso dei nanomateriali ha il potenziale per aumentare notevolmente l’esposizione umana. Le conoscenze derivanti da questo studio possono aiutarci a evitare aumenti di morbilità incoraggiando l’implementazione di pratiche di produzione e manipolazione sicure per ridurre le esposizioni accidentali. Ad oggi, la nostra comprensione di un meccanismo d’azione che spiegherebbe l’associazione con le malattie cardiovascolari è stata rudimentale. Questo documento migliora la nostra comprensione e certamente invita alla cautela.

Gli autori hanno dimostrato che le nanoparticelle inalate passano dai polmoni alla circolazione negli esseri umani e che le particelle si accumulano nei siti di infiammazione vascolare. La traslocazione delle particelle sembra dipendere dalle dimensioni, con maggiore traslocazione e accumulo di nanoparticelle più piccole.

Precedenti ricerche mostrano che l’esposizione acuta ai gas di scarico diesel causa disfunzione vascolare, trombosi e ischemia miocardica in individui sani e in pazienti con malattia coronarica.¹L’esposizione cronica all’inquinamento atmosferico da particolato è associata allo sviluppo e alla progressione dell’aterosclerosi sia negli animali che nell’uomo.²

Ma non era chiaro come ciò avvenga. È noto che le particelle inalate si depositano in profondità nei polmoni e innescano stress ossidativo e infiammazione.³Una teoria è che i mediatori infiammatori innescati da queste particelle entrino nella circolazione generale e influenzino il rischio di malattia. Altri ritengono che le nanoparticelle stesse penetrino nell’epitelio alveolare ed entrino in circolazione, contribuendo direttamente alla malattia.⁴Questo documento suggerisce fortemente che quest’ultimo meccanismo è più probabile. Probabilmente non è una scelta così facile. Alla fine, probabilmente capiremo che le nanoparticelle innescano l’infiammazione dei tessuti, che aumenta la traslocazione delle particelle.⁵

Sebbene i risultati di questo studio forniscano una spiegazione convincente su come il rischio CVD possa essere correlato all’esposizione alle nanoparticelle nell’ambiente, suggeriscono solo una possibile spiegazione per i risultati riportati da Bakian et al Seestadt,⁶o i risultati di uno studio osservazionale di Power et al., che ha trovato una connessione tra inquinamento atmosferico e ansia.⁷Queste due pubblicazioni suggeriscono che le nanoparticelle non solo entrano nella circolazione generale, ma attraversano anche la barriera ematoencefalica e provocano anche malattie mentali.

Questo studio non dimostra una relazione causale. I dati mostrano solo che le nanoparticelle si accumulano nei siti di malattia vascolare; non dimostrano che le nanoparticelle causino o peggiorino le malattie cardiovascolari.

I risultati di questo articolo e di studi simili dovrebbero preoccupare i nostri pazienti affetti o a rischio di malattie cardiovascolari. Limitare l’esposizione a fonti evidenti di nanoparticelle inalate, in particolare i gas di scarico diesel, può aiutare a limitare la progressione della malattia. Tuttavia, anche fonti meno evidenti di esposizione alle nanoparticelle comportano rischi. Il numero di nanoparticelle nel nostro ambiente quotidiano continua ad aumentare. Ad esempio, pochi riconoscerebbero gli inchiostri toner utilizzati nella stampa domestica e in ufficio come rischi per malattie cardiovascolari, ma rilasciano nanomateriali (utilizzati per migliorare le prestazioni del toner) e sono stati collegati a problemi respiratori.⁸I coloranti alimentari contengono anche nanoparticelle di biossido di titanio, che possono entrare nel corpo e causare stress ossidativo.⁹

Questo articolo amplia la nostra comprensione dei problemi causati dal diesel e da altri sottoprodotti della combustione di combustibili fossili. La dimensione e il numero di particelle nell’aria potrebbero in definitiva essere di maggiore importanza rispetto alla massa assoluta, poiché le particelle più piccole possono rappresentare una minaccia maggiore. Questo documento ci avverte anche del potenziale pericolo rappresentato da una varietà di nanosostanze considerate benigne, non a causa dei loro componenti chimici, ma a causa delle loro dimensioni e capacità di muoversi e quindi accumularsi nei siti di infiammazione.