Effetto dell’adsorbimento di biomolecole del fluido polmonare sull’attività membranolitica di particelle di silice

Silica, both in crystalline and amorphous form, is one of the most widely used raw materials in various industrial sectors, including the ceramics and glass industry, the chemical industry, metallurgy, the construction industry, but it is also of great interest in catalysis, nanotechnology and biomedical applications. The wide use of silicas raises an important question about the possible adverse health effects of exposure to silica dust on millions of workers. Unlike amorphous silica, inhalation of crystalline silica is associated with the risk of developing occupational diseases such as silicosis, autoimmune diseases, or lung cancer. Indeed, the International Agency for Research on Cancer (IARC) classifies crystalline silica in the form of quartz or cristobalite, as carcinogenic to humans (category 1). Amorphous silica was not associated to the development of occupational diseases, so it is classified as non-carcinogenic to humans (category 3). Several groups recently (Brinker et al., 2021; Pavan et al., 2020) have made progress in understanding the molecular mechanisms of crystalline and amorphous silica toxicity, and a debate is currently underway. The first molecular event affecting inhaled particles is the interaction with lung fluid components and the subsequent formation of a corona of biomolecules on the surface of the particles. These interactions are responsible for the induction of biological responses critical to the fate of inhalable particles within the lungs. In this context, this work aims to investigate the effect of the coating of biomolecules in lung fluid on the membranolytic activity exhibited by silica particles. For the study, a set of both crystalline (micrometric) and amorphous (nanometric) silica particles was selected. Adsorptions were investigated by having the silica surfaces interact with some of the most representative molecules of the lung fluid, specifically: BSA as a protein component, DPPC, DOPC and DOPS as a phospholipid component. Phospholipids were selected taking into account their alkyl chain structure (saturated or unsaturated) and their head polarity (neutral or charged). These studies suggest that the biomolecular corona, which can be formed when silica particles are in contact with lung fluids, may influence cell recognition mechanisms and the eventual toxicological outcome due to silica. In addition, the varying ability of the silica surface to interact with phospholipids with differently charged polar heads suggests that the interaction is mediated by surface charge.

La silice, sia in forma cristallina che amorfa, è una delle materie prime più utilizzate in diversi ambiti industriali, dall’industria della ceramica e del vetro, l’industria chimica, metallurgica, ed edile. Inoltre, la silice costituisce grande interesse anche nella catalisi, nella nanotecnologia e nelle applicazioni biomediche. L’ampio utilizzo delle silici pone un importante interrogativo riguardo gli effetti sulla salute che l’esposizione alle polveri di silice può determinare in milioni di lavoratori. A differenza della silice amorfa, l’inalazione della silice cristallina è associata al rischio di sviluppo di malattie occupazionali quali silicosi, patologie autoimmuni o cancro al polmone. Per questa ragione l'Agenzia Internazionale per la Ricerca sul Cancro (IARC) classifica la silice cristallina, nella forma di quarzo o cristobalite, come cancerogena per l'uomo (categoria 1) mentre la silice amorfa non sembra essere responsabile dello sviluppo di malattie occupazionali, per cui viene classificata come non cancerogena per l’uomo (categoria 3). Ciò nonostante, anche la silice amorfa è in grado, in alcuni casi, di stimolare il sistema immunitario, generando delle risposte infiammatorie polmonari. Diversi gruppi recentemente (Brinker et al., 2021; Pavan et al., 2020) hanno fatto progressi nella comprensione dei meccanismi molecolari di tossicità della silice cristallina e amorfa e un dibattito è attualmente in corso. Il primo evento molecolare che interessa le particelle inalate è l’interazione con le componenti dei fluidi polmonari e la conseguente formazione di una corona di biomolecole sulla superficie delle particelle. Queste interazioni sono responsabili dell’induzione di risposte biologiche fondamentali per il destino delle particelle inalabili all’interno dei polmoni. In questo contesto, questo lavoro si pone l’obiettivo di indagare l’effetto del ricoprimento delle biomolecole del fluido polmonare sull’attività membranolitica mostrata dalle particelle di silice. Per lo studio, si è selezionato un set di particelle di silice sia cristallina (micrometrica) che amorfa (nanometrica). Gli adsorbimenti sono stati indagati facendo interagire le superfici della silice con alcune delle molecole più rappresentative del fluido polmonare, nello specifico: BSA come componente proteica, DPPC, DOPC e DOPS come componente fosfolipidica. I fosfolipidi sono stati selezionati tenendo conto della struttura della catena alchilica (satura o insatura) e della polarità della testa (neutra o carica). Questi studi suggeriscono che la corona biomolecolare, che si può formare nel momento in cui le particelle di silice si trovano a contatto con i fluidi polmonari, può influenzare i meccanismi di riconoscimento cellulare e l’eventuale esito tossicologico dovuto alla silice. Inoltre, la diversa capacità di interazione della superficie della silice con fosfolipidi con teste polari diversamente cariche suggerisce che l’interazione sia mediata dalla carica superficiale.