Effetto dell'adsorbimento di biomolecole e frammenti di membrana sul potenziale infiammatorio della silice libera cristallina (SLC) in vitro.​

The toxicity of respirable crystalline silica (RCS) is strongly influenced by the material production (e.g., extraction, processing, ...). Differences in surface physico-chemical properties, which in turn determine the activity of the particulate at the biological level, are induced during the production processes. The surface properties are indeed directly related to the stimulation of the inflammatory process with the activation of the Nalp3 inflammasome and the release of interleukin 1β. Recent hypotheses have shown a correlation between the inflammatory potential of silica and some surface structures, called silanols (≡Si-OH), able to induce the rupture of cell membranes. To study this phenomenon, the erythrocytes (RBC) are now a well-established membrane model suitable for highlighting the interaction with the RCS both for the particular mechanical properties of the RBC membrane and for the facile detection of the amount of lysed cells (hemolysis test ). The aim of this thesis was to observe the changes in the haemolytic activity and the activation of the inflammasome of a set of silica samples following adsorption of two classes of biomolecules: fragments of cell membranes of erythrocytes (RBC-ghost) and / or serum proteins. The study used several well-characterized with a known toxicity samples, including natural and synthetic, amorphous and crystalline silica. To evaluate the role of surfaces, adsorption phenomena have been hypothesized to mask the silanols responsible for the interaction with biological membranes. Silica has been pre-incubated under different conditions: ghost, human serum, fetal bovine serum, and serum albumin. The haemolysis tests were performed on RBC and inflammogenic activity were measured on human cell lines (THP-1 human monocyte line) and in mice. Dose-response relationships were obtained for all the endopoints used and it was shown that the adsorption of biomolecules (fragments of membranes and / or serum proteins) was able to induce a decrease in the haemolytic and inflammagenic activity of silica. This research has further confirmed the specific role of silica surface in determining the inflammatory response in vitro and in vivo. The molecular mechanisms of the interaction between the biomolecules and the silica surface, responsible for the observed effects, will be the object of future investigations.

La tossicità della silice libera cristallina (SLC) è fortemente influenzata dalle circostanze in cui il materiale è prodotto (es. estrazione, lavorazione, ¿). Tali circostanze si traducono in differenze nelle proprietà chimico-fisiche di superficie che a loro volta determinano l'attività del particolato a livello biologico. Le proprietà superficiali sono infatti direttamente correlate alla stimolazione del processo infiammatorio con l'attivazione dell'inflammasoma Nalp3 e il rilascio di interleuchina IL-1β. Recenti ipotesi hanno evidenziato una correlazione tra il potenziale infiammatorio della silice e alcune strutture di superficie, dette silanoli (≡Si¿OH) in grado di indurre la rottura delle membrane cellulari. Per studiare questo fenomeno, gli eritrociti (RBC) sono ormai un consolidato un modello di membrana adatto per evidenziare l'interazione con la SLC sia per le particolari proprietà meccaniche dalla membrana RBC che per la facile lettura della quantità di cellule lisate (test di emolisi). Lo scopo di questa tesi è stato osservare le modificazioni dell'attività emolitica e dell'attivazione dell'inflammasoma di un set di campioni di silice in seguito ad adsorbimento di due classi di biomolecole: frammenti di membrana cellulare degli eritrociti (RBC-ghost) e/o proteine sieriche. Lo studio ha utilizzato diversi campioni ben caratterizzati e a tossicità nota di silice naturale e sintetica, amorfa e cristallina. Per valutare il ruolo delle superfici, si sono ipotizzati fenomeni di adsorbimento in grado di mascherare i silanoli responsabili dell'interazione con le membrane biologiche. La silice è stata pre-incubata in diverse condizioni: ghost, siero umano, fetal bovine serum, e albumina serica. I test di emolisi e di inflammogenicità sono stati effettuati su RBC, su linee cellulari umane (THP-1 linea monocititaria umana) e su topi in vivo. Si sono costruite delle relazioni dose-risposta per tutti gli endopoint utilizzati e si è evidenziato che l'adsorbimento di biomolecole (frammenti di membrane e/o proteine seriche) è in grado di indurre una diminuzione del potere emolitico e inflmmogenico della silice. Questa ricerca ha portato un'ulteriore conferma allo specifico ruolo della superficie della silice nel determinare la risposta infiammatoria in vitro e in vivo. I meccanismi molecolari dell'interazione tra le biomolecole e la superficie della silice, responsabile degli effetti osservati, saranno oggetto di future investigazioni.​