I "marmi tecnici": una nuova causa di una patologia antica, la silicosi. Caratterizzazione chimico-fisica e risposte cellulari

Artificial stone is a synthetic material used in manufacturing composed of agglomerates of quartz, resin and pigments, and it may contain up to 93% of crystalline silica. In recent years, an increased number of cases of silicosis has been reported associated to workers exposed to crystalline silica released in the form of dust during machining operations and installation of artificial stone slabs. The objective of this research was to investigate the physico-chemical properties of artificial stone dusts, obtained through two types of processing (wet and dry), and to evaluate their hemolytic activity and the cytotoxic effects on pulmonary cell lines involved in the mechanism of silica pathogenicity. All artificial stone dusts under study showed a high heterogeneity in size and high ability of generating radical species (i.e. ˙OH e COO˙ˉ) which are known to be cause of cell damage, even more than two reference samples (a commercial fibrogenic quartz, quartz Min-U-Sil 5, and a pure quartz used in previous studies). In vitro a low hemolytic activity and cellular toxicity (LDH release and oxidative stress) were observed after 24 h of incubation. We hypothesized that the low activity of the artificial stone dusts in the in vitro tests could be due both to the high heterogeneity of the size and to the presence of the resin used as binder. The resin could influence the interaction with cells by covering part of the particle surface. To confirm this hypothesis, samples were heated in order to remove the resin, or they were heated and ground to simulate the abrasion of the material during working operations. The removal of the resin through heating, verified by thermogravimetric analysis, determined both an increase of hemolytic activity and an increase of the cytotoxic effects in macrophages and bronchial epithelial cells. These effect were more evident in heated and ground samples. Finally, to assess the effects of a chronic exposure, bronchial epithelial cells were incubated for 96h with the dusts. Following this exposure, the cells revealed morphological alterations possibly due to an epithelial-mesenchymal transition, which is characteristic of some inflammatory and fibrotic lung diseases. In conclusion, the artificial stone dusts showed a high surface reactivity in terms of generation of free radicals, even much more than a fibrogenic quartz. The presence of the resin may determine false negative results in in vitro cell tests. However, if the resin is removed, as may also occur in the lung, artificial stone dusts are significantly cytotoxic.

Il marmo tecnico o pietra artificiale è un materiale di sintesi usato per attività manifatturiere e composto da agglomerati di quarzo, resina e pigmenti. Può contenere fino al 93% di silice cristallina. Negli ultimi anni, diverse indagini hanno riportato un aumento dei casi di silicosi nei lavoratori esposti alle polveri di questi materiali prodotte durante le operazioni di lavorazione e installazione di tali manufatti. L'obiettivo della presente ricerca è stato quello di studiare da un lato le proprietà chimico-fisiche delle polveri silicee provenienti da differenti tipi di lavorazione (a umido e a secco) dei marmi tecnici, e dall'altro valutare in vitro la loro attività emolitica e gli effetti di tossicità su linee cellulari polmonari coinvolte nel meccanismo di patogenicità della silice. Le polveri di marmo tecnico, messe a confronto con due campioni di riferimento (un quarzo commerciale altamente fibrogenico, il quarzo Min-U-Sil 5, e un quarzo puro utilizzato in studi precedenti), hanno mostrato un'elevata eterogeneità di dimensioni ed un'alta reattività nel generare specie radicaliche responsabili di danno cellulare (˙OH e COO˙ˉ). In vitro sono state evidenziate una bassa capacità emolitica ed una scarsa tossicità cellulare (rilascio di LDH e stress ossidativo) in seguito ad incubazione per 24h. Si è ipotizzato che la scarsa attività delle polveri di marmo tecnico nei test in vitro potesse essere dovuta sia all'eterogeneità dimensionale sia alla presenza della resina utilizzata come agglomerante che, ricoprendo almeno in parte la superficie delle particelle, potrebbe influenzare l'interazione con le cellule. Per confermare queste ipotesi, le polveri sono state sottoposte al solo riscaldamento, al fine di promuovere la volatilizzazione della resina, ed a riscaldamento seguito da macinazione in modo da simulare l'abrasione del materiale al momento della lavorazione. L'allontanamento della resina attraverso riscaldamento, verificato mediante analisi termogravimetrica, ha determinato sia un aumento dell'attività emolitica sia la comparsa di effetti citotossici in cellule epiteliali polmonari. Tali effetti appaiono ancor più evidenti sui campioni privati della resina e macinati. E' stato poi valutato l'effetto di una esposizione cronica sul materiale mediante una incubazione prolungata (96h) delle cellule epiteliali con le polveri. In queste condizioni le cellule epiteliali hanno mostrato evidenti alterazioni morfologiche che potrebbero essere riconducibili ad una transizione epitelio-mesenchima, caratteristica di alcune patologie polmonari infiammatorie e fibrotiche, possibile oggetto di un'indagine più approfondita. In conclusione, le polveri di marmo tecnico hanno mostrato una reattività superficiale in termini di generazione di radicali liberi molto importante anche rispetto a quarzi di nota fibrogenicità. La presenza della resina determina un falso negativo nei test cellulari in vitro. Se è allontanata, fatto che si potrebbe verificare a livello polmonare, le polveri risultano essere significativamente più citototossiche.