Indagini sull'importanza della cristallinità nei polimorfi della silice riguardo la citotossicità e l'attivazione dell'inflammosoma NLRP3 nelle cellule macrofagiche alveolari di ratto

Inhalation of silica particles is associated with chronic inflammation of the lung that can elicit a severe fibrotic disease, known as silicosis, and potentially with lung cancer. Crystalline silica has been classified by the IARC (International Agency for Research on Cancer) as a human carcinogen, but not under all the circumstances. Different surface properties of its polymorphs are considered to be responsible for this variability in the silica hazard. Crystallinity seems to be a necessary prerequisite to provoke toxicity, but several cases of silicosis and lung cancer registered among workers exposed to dust generated by amorphous silica shares, particularly vitreous silica, and consequent in vitro studies highlighted the possibility that apart from crystallinity other features may be of importance for their toxicity. In my thesis, this hypothesis was examined in vitro through the investigation of the toxic and inflammatory effects of different silica forms on the rat alveolar macrophage cell line NR8383. Two model types of amorphous silica, i.e. Vitreous Silica and Aerosil 50 (fumed silica), were investigated in comparison with reference standards, i.e. DQ12 quartz (crystalline silica) and DQ12 coated with the polymer PVNO. Experiments were performed at specified exposure times and at different particle concentrations. Analysis of results showed notable potency in cytotoxicity, enhanced release in the supernatant of TNF-α and IL-1β with and without LPS pre-treatment and increased gene expression of caspase-1, IL-1β and IL-6 after short-term treatment for both amorphous models. Especially Vitreous Silica, which biopersistence is much longer than any other amorphous silica forms, displayed results and physicochemical features similar to quartz, except for its crystallinity. The findings of these investigations provide support for the concept that some amorphous silica polymorphs may have toxicity in vivo.

L'inalazione di polveri di silice è associata a un'infiammazione cronica del polmone che può provocare una grave malattia fibrotica, nota come silicosi, e potenzialmente al carcinoma polmonare. La silice cristallina è stata classificata cancerogena per l'uomo dalla IARC (Agenzia Internazionale per la Ricerca sul Cancro), ma non in tutte le circostanze. Differenti proprietà di superficie dei suoi polimorfi sono considerate essere responsabili per questa variabilità del rischio silicio. La cristallinità sembra essere un prerequisito necessario per provocare tossicità, ma diversi casi di silicosi e carcinoma polmonare registrati tra i lavoratori esposti a polveri generate da parti di silice amorfa, in particolare silice vetrosa, e successivi studi in vitro hanno evidenziato la possibilità che a parte la cristallinità altre caratteristiche potrebbero essere importanti per la loro tossicità. Nella mia tesi, questa ipotesi è stata esaminata in vitro attraverso delle indagini sulla tossicità e gli effetti infiammatori di differenti forme di silicio su macrofagi alveolari di ratto NR8383. Due tipologie modello di silice amorfa, ovvero Silice Vetrosa e Aerosil 50 (silice vaporizzata), sono state studiate in confronto con standard di riferimento, ossia il quarzo DQ12 (cristallino) e DQ12 rivestito di PVNO. Gli esperimenti sono stati svolti secondo specifiche tempistiche d'esposizione e concentrazioni particellari crescenti. L'analisi dei risultati ha mostrato un rilevante potere citotossico, aumentato rilascio di TNF-α e IL-1β nel sopranatante con e senza pre-trattamento con LPS ed incremento dell'espressione genica di caspasi-1, IL-1β ed IL-6 dopo trattamento a breve termine per entrambi i modelli amorfi. La Silice Vetrosa in particolare, la cui biopersistenza è molto più elevata di qualsiasi altra forma di silice amorfa, ha dimostrato risultati e caratteristiche chimico-fisiche similari al quarzo, tranne che per lo stato cristallino. Le scoperte di queste indagini forniscono supporto al concetto che alcuni polimorfi di silice amorfa potrebbero possedere tossicità in vivo.