Esposizione a nanomateriali, biomarcatori di infiammazione e salute respiratoria

NANOMATERIAL EXPOSURE, BIOMARKERS OF INFLAMMATION AND RESPIRATORY HEALTH. The effects on the body from occupational exposure to nanomaterials are not yet fully known. However, in the occupational setting, the inhalation route is the main route of entry into the body, and such exposure can impair lung function, especially following long-term exposures. This study stems from a collaborative project (NanoExplore) aimed at validating a harmonized protocol for the search of biomarkers of inflammation and oxidative stress in noninvasively sampled biological matrices (e.g., exhaled breath condensate - EBC) in workers exposed to nanomaterials, along with an assessment of respiratory function. A total of 141 workers from european institutions and companies working in the construction industry were recruited. Participants were divided into three exposure groups (unexposed, n=43, low-dose exposed, n=58, medium-high dose exposed, n=40) identified after process analysis and company site visits. At the beginning of monitoring, participants underwent a spirometry test conducted by a trained operator and underwent urine and EBC collection on day 1 and day 4 of monitoring. The collected biological samples were analyzed in UniTO laboratories. Both biomarkers of inflammation (TNF-α, IL-1β, IL-10, hs-CRP) and oxidative stress (8-isoprostane) were assayed. Next, the relationship between the levels of inflammation markers and the results of respiratory function tests was analyzed. The analysis showed a statistically significant increase in all inflammation biomarkers in the medium-high dose exposed compared to the unexposed, while the significance limit was not always reached when comparing the low-dose exposed group with the unexposed and the medium-high dose exposed. 8-Isoprostane was undeterminable in the EBC samples from the unexposed workers, while it was detectable in 35.1 percent and 30.6 percent of the samples from medium-high-dose and low-dose exposed, respectively. Breaking down the levels of TNF-α and IL-1β into tertiles, a correlation emerged between the level of these biomarkers and the worsening of FVC% and FEV1% values compared with the expected. It can be concluded that workers exposed to nanomaterials have higher levels of airway inflammation than unexposed controls, and that higher inflammatory rates are associated with worsening of respiratory function. In spite of the low specificity of the biomarkers used, it was possible to validate a much broader protocol than reported in this thesis, which shows good sensitivity in discriminating groups with different magnitude of exposure and being able to detect early induced alterations in workers and the underlying pathophysiological mechanisms. EBC also proves to be an easy biological matrix to collect by noninvasive methods. The study, which was conducted on one of the largest cohorts accessible to date, prompts consideration of the need for long-term studies to gain a thorough understanding of the causal links between exposure and the development of lung disease.

ESPOSIZIONE A NANOMATERIALI, BIOMARCATORI DI INFIAMMAZIONE E SALUTE RESPIRATORIA. Gli effetti sull’organismo derivanti dall’esposizione occupazionale a nanomateriali non sono ancora completamente noti. Tuttavia, in ambito occupazionale, la via inalatoria rappresenta la via principale di ingresso nell’organismo e tale esposizione può compromettere la funzione polmonare, specialmente in seguito ad esposizioni di lunga durata. Questo studio nasce da un progetto collaborativo (NanoExplore) finalizzato a validare un protocollo armonizzato per la ricerca di biomarcatori di infiammazione e stress ossidativo nell’in matrici biologiche prelevate in modo non invasivo (es., condensato dell’aria esalata – EBC) in lavoratori esposti a nanomateriali, insieme ad una valutazione della funzionalità respiratoria. Sono stati reclutati 141 lavoratori provenienti da istituzioni ed aziende europee operanti nel settore dell’edilizia. I partecipanti sono stati divisi in tre gruppi di esposizione (non esposti, n=43, esposti a basse dosi, n=58, esposti a dosi medio-alte, n=40) identificati previa analisi dei processi e sopralluoghi in azienda. All’inizio del monitoraggio i partecipanti hanno effettuato un test spirometrico condotto da un operatore specializzato e si sono sottoposti alla raccolta di urina e EBC il giorno 1 e il giorno 4 del monitoraggio. I campioni biologici raccolti sono stati analizzati nei laboratori di UniTO. Sono stati determinati sia biomarcatori di infiammazione (TNF-α, IL-1β, IL-10, hs-PCR) che di stress ossidativo (8-isoprostano). Successivamente è stata analizzata la relazione fra i livelli di marcatori di infiammazione e i risultati delle prove di funzionalità respiratoria. L’analisi ha evidenziato un incremento statisticamente significativo di tutti i biomarcatori di infiammazione negli esposti a dosi medio-alte rispetto ai non esposti, mentre il limite di significatività non è stato sempre raggiunto nel confronto del gruppo degli esposti a basse dosi con i non esposti e con gli esposti a dosi medio-alte. L’8-isoprostano non era determinabile nei campioni di EBC dei lavoratori non esposti, mentre è risultato rilevabile rispettivamente nel 35,1% e nel 30,6% dei campioni da esposti a dosi medio-alte e a dosi basse. Suddividendo i livelli di TNF-α e IL-1β in terzili, è emersa una correlazione tra il livello di questi biomarcatori e il peggioramento dei valori di FVC% e FEV1% rispetto all’atteso. È possibile concludere che i lavoratori esposti a nanomateriali presentano livelli di infiammazione delle vie aeree più elevati rispetto ai controlli non esposti, e che tassi infiammatori più elevati si associano al peggioramento della funzionalità respiratoria. Nonostante la scarsa specificità dei biomarcatori utilizzati, è stato possibile validare un protocollo molto più ampio di quanto riportato in questa tesi, che consente di evidenziare una buona sensibilità nel discriminare gruppi con diversa entità dell’esposizione e poter individuare precocemente alterazioni indotte nei lavoratori ed i meccanismi fisiopatologici sottesi. L’EBC inoltre si conferma una matrice biologica di facile raccolta con metodi non invasivi. Lo studio, condotto su una delle coorti di maggiori dimensioni finora accessibili, spinge a considerare la necessità di studi a lungo termine, che permettano di comprendere a fondo i nessi di causalità fra esposizione e sviluppo di patologie polmonari.