Proprietà chimico-fisiche coinvolte nell' emolisi e nell'attivazione dell' inflammasoma Nalp3 da parte di particelle di silice

Silica particulates in crystalline form, known to induce the occupational lung disease silicosis, are classified by the IARC (International Agency for Research on Cancer) carcinogenic for humans (Group 1) but not in all the circumstances; differences in surface properties determine the so-called ¿variability of quartz hazard¿. However the extent to which a specific physico-chemical functionality governs the elicited biological response is yet unclear. This high variability of quartz toxicity needs model samples of silica particles with controlled surface properties. In this way, any differences in the biological responses observed can be traced back and associated with a given physico-chemical property. Within this framework, a systematic interlaboratory study with a high number of ¿model¿ silica particles prepared ad hoc and/ or collected for their known toxicity was performed. The influence of the single physical and chemical properties, also through various treatments which deeply modified the state of the surface, was assessed by hemolysis. The hemolytic model provides a measure of the direct particle surface/ membrane interaction, thus allowing to exclude other variables different from the surface property of silica particles. Free radical release, silanol abundance and negative charge, crystallinity, micromorphology, polymorphs, effect of heating, etching with hydrofluoric acid, aluminium contamination are some of the inherent characteristics/ external factors affecting silica surface which have been taken into account. The present results show that more than one surface functionality play a role in the hemolytic activity, particularly a dual action is carried out by undissociated or ionized silanols able to interact through hydrogen-bonds and electrostatics attractions respectively. After a first determination of the hemolytic activity, a correlation was considered with other biological events implicated in the pathogenesis of silicosis, such as the pro-inflammatory response and fibrosis. While for the latter a relationship is unlikely, the activation of the inflammasome Nalp3, identified as responsible of the silica-induced inflammatory pathway through interleukin IL-1β release, has proved likely correlated to the hemolytic potential. These findings suggest a possible role of the same physico-chemical properties involved in hemolysis even for the Nalp3 inflammasome recruitment, which seems in turn to be another subordinate to the variability of quartz.

La silice cristallina inalata in forma di quarzo o cristobalite è stata classificata nel 1997 dalla IARC (International Agency for Research on Cancer) fra i cancerogeni umani (Gruppo 1) e riconfermata nel 2011. È infatti ormai comprovato il rischio dell'esposizione lavorativa alla silice che può determinare infiammazione e fibrosi del tessuto polmonare (meglio conosciuta come silicosi) ed esitare nella carcinogenesi progressiva. Tuttavia è anche risaputo che la silice cristallina non è cancerogena in tutte le circostanze: le differenze nelle proprietà chimico-fisiche di superficie determinano quella che è stata definita ¿la variabilità del rischio quarzo¿. La misura in cui una specifica proprietà governa la risposta biologica ottenuta è ancora materia di dibattito. L'elevata variabilità nella tossicità del quarzo richiede perciò campioni ¿modello¿ di silice cristallina, con proprietà superficiali controllate. Con questo approccio le differenze riscontrate nell' attività biologica possono essere riconosciute e ricondotte a una data proprietà chimico-fisica. In questo contesto è stato condotto uno studio sistematico interlaboratorio utilizzando un elevato numero di polveri di silice ¿modello¿ preparate ad hoc o raccolte per la loro nota tossicità. L'influenza delle proprietà chimico-fisiche di tali polveri, anche attraverso diversi trattamenti che ne hanno modificato profondamente lo stato di superficie, è stata valutata mediante emolisi. Infatti, la membrana del globulo rosso, oltre a mimare le normali membrane biologiche, fornisce una misura della diretta interazione particella/ membrana, permettendo così di escludere altre variabili diverse dalle proprietà di superficie della silice. La formazione di radicali liberi, la densità dei silanoli e la carica superficiale, la forma, morfologia, i polimorfi, l'effetto del riscaldamento, il trattamento con acido fluoridrico, l'arricchimento di alluminio sono alcune delle caratteristiche intrinseche/ fattori esterni presi in considerazione che incidono sulle proprietà superficiali. I risultati mostrano come più di una funzionalità di superficie è coinvolta nel determinare l'attività emolitica, in particolare una duplice azione è svolta dai silanoli i quali, a seconda se presenti indissociati o ionizzati, possono interagire con terminali di membrana rispettivamente attraverso legami idrogeno o forze elettrostatiche. In seguito alla determinazione del potenziale emolitico, quest'ultimo è stato messo a confronto con altri eventi biologici coinvolti nella patogenesi della silicosi quali la risposta pro-infiammatoria e la fibrosi. Mentre per quest'ultima una correlazione è improbabile, l'attivazione dell' inflammasoma Nalp3, identificato come il responsabile iniziatore del percorso infiammatorio indotto dalla silice attraverso il rilascio di diverse interleuchine tra cui l' IL-1β, si è dimostrata potenzialmente correlabile all'attività emolitica. Questi dati suggeriscono un possibile ruolo delle medesime proprietà chimico-fisiche implicate nell'emolisi anche nel reclutamento dell' inflammasoma Nalp3, il quale sembra essere, a sua volta, un altro subordinato alla variabilità del quarzo.