The impact of air pollution on neuroimmunological and clinical features of Multiple Sclerosis: a study in the Piedmont area

Background – Air pollution is a theme of growing scientific interest, especially concerning its potential effects on health. Among pollutants, Particulate Matter (PM) is mostly produced by anthropical activities, and is able to penetrate deeply in the human respiratory system and the bloodstream. Both PM10 and PM2.5 in recent years have been regarded as possible aetiological factors in the genesis of many conditions, such as respiratory, immunological, and neurological disorders. In particular, the role of PM in favouring onset and relapses is being explored in Multiple Sclerosis (MS). The increasing incidence of the disease, the seasonality of its recurrences, along with the established immunological effects of PM and the description of singular MS clusters in polluted towns all support potential correlations between pollution and the disease. For this reason, it is of great interest to explore possible correlations in such a highly polluted Italian region as Piedmont. Objectives – The research aims at evaluating the effects of the exposure to PM2.5 on immune cells. It also aims at assessing potential correlations between onsets and relapses of MS and PM concentration in the Piedmont area. Secondly, it also points at finding potential correlations between PM exposure and levels of cytokine production, immune cells’ phenotypes, and EDSS scores in MS patients. Methods – Two study designs were set up to cover the two main objectives of the project: the first, an epidemiological, retrospective study will explore correlations between the area where MS patients lived – and therefore its levels of pollution – and the onset and recurrences of the disease for each patient, through record-linkage of anonymised health-administrative data and census data; the second, an experimental, prospective, ex vivo study exposed peripheral blood cells from MS patients and controls to PM2.5 pollutant samples from a highly trafficked area of Turin provided by ARPA Piemonte, measuring IL-17 and IFN-ɣ production in CD4+ T cells. During these phases, MS patients undergo clinical follow-ups, EDSS score calculations to evaluate the disability burden, and radiological evaluations. These clinical factors are correlated with experimental data. Results – At the time of publication, the patients’ cohort is made up of 25 subjects: 13 of them have a defined MS diagnosis, and by being recently diagnosed all of them show EDSS scores of 3 or less, low or moderate radiological burdens, and 5 of them already started their treatment with a first or second-line therapeutic molecule. Preliminary results showed greater numbers of IL-17+ CD4+ T cells when exposed to winter PM2.5 compared to summer PM2.5 and controls. Discussion and conclusions – Our qualitative results suggest that exposure of immune cells of MS patients to winter PM2.5 pollutants can induce the production of greater amounts of IL-17, primarily involved in the pathogenesis of the disease, thus accounting as a potential risk factor for MS development. Such correlations can help to identify PM’s role in the context of the increasing incidence of MS and could shed light on the seasonality features of MS. Larger cohorts are needed to produce stronger results.

Introduzione – L’inquinamento atmosferico è un tema di interesse scientifico crescente, specialmente per i suoi possibili effetti sulla salute. Tra gli inquinanti, il particolato atmosferico (PM), prodotto specialmente da attività antropiche, può penetrare in profondità nell’apparato respiratorio umano e nel circolo sanguigno. Sia il PM10 che il PM2.5 sono stati indagati come possibili fattori eziologici in molte condizioni, come affezioni broncopolmonari, ma anche malattie immunologiche e neurologiche. In particolare, la Sclerosi Multipla (SM) è stata oggetto di studio e in tempi recenti è florida la ricerca di correlazioni con il PM. L’aumento dell’incidenza della malattia, la stagionalità delle recrudescenze, uniti agli effetti noti del PM sul sistema immunitario e la descrizione di cluster di casi in aree particolarmente inquinate supportano possibili correlazioni. Perciò, esplorare tali scenari in una regione italiana particolarmente inquinata come il Piemonte, è di indubbio interesse. Obiettivi – Il qui descritto studio si occupa di due obiettivi principali: individuare i possibili effetti dell’esposizione di cellule immunitarie al PM2.5 e ricercare potenziali correlazioni tra particolato PM e l’incidenza e le riacutizzazioni di SM nei pazienti residenti in Piemonte. Sono obiettivi secondari la ricerca di correlazioni tra l’esposizione a PM e i livelli di citochine prodotte, i fenotipi di cellule immunitarie e i punteggi EDSS dei pazienti. Metodi –Sono stati disegnati due studi: uno studio epidemiologico e retrospettivo per esplorare correlazioni tra l’area di residenza dei pazienti, con il relativo livello di inquinamento, e incidenza e recidive di SM, grazie al record-linkage di dati sanitari-amministrativi anonimizzati e di dati censuari; uno studio prospettico e sperimentale ex vivo, nel quale le cellule immunitarie ottenute dal sangue periferico sono state esposte a campioni di particolato PM2.5 invernali e estivi, provenienti da un’area altamente trafficata di Torino, ottenuti grazie ad ARPA Piemonte: è stata misurata la produzione di IL-17 e IFN-ɣ, confrontandola con controlli. Durante queste fasi, i pazienti sono stati sottoposti a follow-up clinico e radiologico, e tali dati sono stati integrati con quelli sperimentali. Risultati – Al momento della pubblicazione, i pazienti arruolati sono 25: 13 hanno una diagnosi definita di SM, e, trattandosi di nuove diagnosi, tutti hanno punteggi EDSS di 3 o minori, carico lesionale alla RM basso o moderato, e 5 di loro sono attualmente in trattamento con molecole di prima o seconda linea. I risultati preliminari sperimentali mostrano maggiori numeri di linfociti T CD4+ IL-17+ nelle cellule esposte a PM2.5 invernale rispetto al PM2.5 estivo e ai controlli. Discussione e conclusioni – I risultati qualitativi suggeriscono che l’esposizione di cellule T di pazienti SM al particolato PM2.5 invernale sembri indurre una maggior produzione di IL-17 da parte dei linfociti T, primariamente coinvolti nella patogenesi della malattia, candidandosi quindi a potenziale fattore di rischio. Tali correlazioni, se confermate da studi futuri, potranno aiutare a chiarire il ruolo che il PM può assumere nell’aumento di incidenza di SM e nella stagionalità della malattia. Saranno quindi necessarie coorti più ampie per produrre risultati più consistenti.