Il particolato atmosferico, in particolare quello fine ed ultrafine (con diametro aerodinamico inferiore a 2,5 μm), è una componente importante dell’inquinamento atmosferico.

L’esposizione a questo tipo di inquinante è correlata a diverse patologie infiammatorie dell’apparato respiratorio (infezioni del tratto respiratorio superiore, polmoniti e broncopneumopatie croniche ostruttive), ma, fino a qualche tempo fa, il meccanismo associato al deterioramento polmonare non era del tutto chiaro. Recentemente, è stato scoperto che il PM 2.5 promuove l’infiltrazione dei leucociti polimorfonucleati, l’espressione delle VCAM-1 sulle cellule endoteliali e dei loro ligandi sui polimorfonucleati, questo contribuisce ad esacerbare il danno polmonare.

Va tenuto presente anche il rischio di malattie cardiovascolari: le particelle inalate possono raggiungere il torrente circolatorio in pochissimo tempo, per il particolato ultrafine si parla di pochissimi minuti.  A causa dell’esposizione al PM fine ed ultrafine si registra un aumento dei ricoveri e della mortalità per patologia a carico dell’apparato respiratorio e cardiovascolare, soprattutto nella popolazione anziana.

È stato dimostrato che, già dopo un giorno dall’inalazione, il PM fine ed ultrafine negli alveoli induce:

  • un “rigonfiamento” dell’endotelio e delle componenti cellulari degli alveoli,
  • un aumento di volume dei mitocondri,
  • un aumento della permeabilità,
  • infiltrazione da parte di cellule infiammatorie.

 

Il tutto si può tradurre in una lesione infiammatoria acuta.

I polimorfonucleati, che sono i primi ad essere reclutati nel sito della lesione, esaltano la risposta infiammatoria e le conseguenti lesioni.  

È stato riscontrato che, durante la gravidanza, l’esposizione materna al particolato atmosferico determina un aumento dell’espressione dei mediatori proinfiammatori come IL-1, IL-6, e TNF-α nei polmoni della prole. In questo caso è coinvolta anche la HMGB1 (High Mobility Group Box 1), una proteina strutturale (non istonica) della cromatina codificata dal gene omonimo; è una proteina ben rappresentata nel nucleo di tutte le cellule eucariote, dove, oltre ad essere un mediatore dell’infiammazione, in particolare in caso di necrosi, ha una funzione importante nel rimodellamento della cromatina. Le lesioni polmonari, conseguenti all’infiammazione indotta dal particolato, sono causa di notevole stress ossidativo, quest’ultimo dovuto soprattutto all’elevata attività dei polimorfonucleati, in particolare dei granulociti neutrofili.

L’esposizione a breve termine al PM 2.5 (>75μg/m3) aumenta il rapporto granulociti neutrofili/leucociti nel sangue periferico, ciò fa ipotizzare che questi polimorfonucleati rivestano un ruolo importante nella genesi della lesione polmonare acuta indotta dal PM 2.5. Nei topi, l’istologia e la quantizzazione dell’attività mieloperossidasica dimostrano che l’infiltrazione dei polimorfonucleati è maggiore nei polmoni dei topi in cui il PM 2.5 viene somministrato per via intratracheale.

L’adesione tra leucociti e cellule endoteliali è il primo step della migrazione di queste componenti della linea bianca ematica verso i tessuti interessati dal processo flogistico, il tutto favorito dall’espressione di molecole di adesione, come la VCAM-1, sulle cellule endoteliali attivate. È stato rilevato che il PM 2.5 promuove l’espressione della VCAM-1 nelle diverse componenti cellulari dell’apparato respiratorio, inoltre, l’inibizione funzionale dell’adesione dei polimorfonucleati con la soluble VCAM-1 migliora le lesioni dei tessuti e la permeabilità della membrana.

Anche nell’apparato respiratorio, gli epiteli e le tight junction rappresentano le principali barriere e garantiscono, in condizioni fisiologiche, un adeguato scambio di gas; in condizioni normali non sono permeabili all’albumina e ai leucociti, ma l’esposizione acuta al particolato altera la loro funzione provocando danno all’epitelio e all’endotelio; ne consegue una infiammazione sistemica.

Il PM 2.5 altera la permeabilità del monolayer cellulare, l’espressione delle VCAM-1, l’adesione dei granulociti polimorfonucleati, la chemiotassi e la migrazione; tuttavia il pretrattamento con la soluble VCAM-1 blocca l’azione dei polimorfonucleati. Sono risultati, questi, che dimostrano come la VCAM-1 abbia un ruolo importante nel mediare l’infiltrazione di polimorfonucleati e il danno polmonare conseguente alla somministrazione di PM2.5. Quest’ultimo sovraregola l’espressione della VCAM-1 in dipendenza del tempo di esposizione.

Alcuni ricercatori, in virtù del fatto che alcuni farmaci antinfiammatori, come l’acido acetilsalicilico, inibiscono la capacità proinfiammatoria dei polimorfonucleati, hanno affermato che sarebbe utile effettuare uno studio retrospettivo su larga scala riguardante l’uso regolare e a lungo termine di questo farmaco nella riacutizzazione di malattie polmonari e cardiovascolari croniche associate all’esposizione al PM2.5. Tale proposta poggia le basi sul fatto che l’infiltrazione dei polimorfonucleati, mediata dalla VCAM-1, nei polmoni è essenziale per innescare l’infiammazione e le conseguenti lesioni polmonari indotte dal PM2.5.

L’infiammazione è un processo regolato da molte cellule e mediatori dell’infiammazione: i polimorfonucleati, i monociti, i macrofagi, come già accennato, sono i tipi cellulari più importanti nell’infiammazione non immunogena; l’infiltrazione da parte di questi tipi cellulari dipende dall’espressione delle molecole di attivazione ed adesione delle cellule endoteliali. Sebbene i polimorfonucleati, i monociti ed i macrofagi condividano persino la VCAM-1 espressa sulle cellule endoteliali attivate, nei primi giorni di infiammazione predominano i polimorfonucleati, solo successivamente aumenta la percentuale dei macrofagi (i monociti diventano macrofagi dopo lo stravaso) a causa della diversa durata di vita esistente tra polimorfonucleati (routinariamente è di 6-8 ore; dopo stimolazione infiammatoria è di circa 5 gg) e macrofagi (superiore a un mese). Pertanto, se la prima “ondata” infiammatoria viene inibita, l’infiltrazione dei macrofagi dovrebbe diminuire di conseguenza.

 A tal proposito, esistono studi che hanno dimostrato che l’inibizione del danno polmonare infiammatorio attraverso la deplezione dei granulociti polimorfonucleati o il blocco dell’adesione ha ridotto il numero di macrofagi nei polmoni.

È stato accertato che, anche in assenza di una malattia preesistente, l’inalazione di PM 2.5 induce lesioni endoteliali e infiammazione, questi cambiamenti possono rappresentare i primi segni di lesioni sistemiche che, se persistono, potrebbero contribuire allo sviluppo o all’esacerbazione della malattia aterosclerotica e/o di eventi cardiovascolari acuti in soggetti sensibili. Sebbene ci siano prove epidemiologiche che suggeriscono come l’esposizione al PM2.5 contribuisca allo sviluppo di malattie cardiovascolari, i meccanismi biochimici che stanno alla base non sono stati del tutto compresi.

  Come già affermato, una pathway potenziale è quella che prevede il rilascio di mediatori pro-infiammatori da parte di macrofagi alveolari o delle cellule epiteliali dell’apparato respiratorio dopo esposizione a particolato. Esposizione che induce il rilascio di citochine pro-infiammatorie, come IL-6, IL-8 o TNFα, da parte dei macrofagi alveolari. Il rilascio di queste citochine, dopo inalazione di PM 2.5, potrebbe innescare e sostenere uno stato di infiammazione sistemica di basso grado, che potrebbe di per sé contribuire alla “tendenza” trombotica e ai cambiamenti proaterogenici dell’endotelio. Ciò sembra essere giustificato dal rilevamento di aggregati piastrinici e monocitari in circolo, oltre alla rilevazione di microparticelle di derivazione endoteliale da cui si evince l’esistenza del danno a carico dell’endotelio venoso, tutto ciò può essere probabilmente indicativo di lesioni preesistenti alla manifestazione franca della malattia. Ad ogni buon conto, i meccanismi con cui il PM 2.5 attiva il rilascio di queste microparticelle dall’endotelio dei vasi polmonari non è ancora del tutto chiarito. Certamente, un ruolo importante lo hanno le citochine infiammatorie come il TNFα, che potrebbe stimolare il rilascio di microparticelle endoteliali attivate (CD62+) attraverso l’attivazione dell’endotelio.

Ma come nella maggior parte delle “questioni” mediche, c’è sempre un lato in ombra. Alcuni ricercatori, tra i quali Arden Pope, non hanno trovato alcuna correlazione tra microparticelle CD62+ ed esposizione al PM 2.5; hanno ipotizzato che la maggior parte delle microparticelle endoteliali rilasciate in seguito all’esposizione al PM2.5 derivino dall’apoptosi: un’attivazione dell’endotelio non indotta da citochine. 

A seguito dell’esposizione al particolato fine ed ultrafine, si riscontrano minori concentrazioni plasmatiche di sCD40L, FGF, PDGF, GROα, RANTES e VEGF, ciò fa ipotizzare che la perdita di fattori trofici e angiogenici potrebbe spiegare l’aumento dell’apoptosi delle cellule endoteliali. Lo stato “anti-angiogenico” stabilito dalla perdita di fattori di crescita angiogenici sembra essere aggravato da un corrispondente aumento delle citochine anti-angiogeniche come il TNFα e l’IP-10 (Interferon-gamma-inducible protein-10). Quest’ultima citochina è prodotta dai linfociti T attivati, dai monociti e dalle cellule endoteliali; un aumento delle sue concentrazioni si rileva nell’asma.

Anche elevate concentrazioni plasmatiche di TNFα ed altre citochine come la Monocyte chemotactic protein-1 (MCP-1), IL-8 e la Macrophage Inflammatory Protein (MIP1) α e β sono indicative di uno stato pro-infiammatorio associato ad un aumento della chemiotassi e dell’aterogenesi. La MCP-1 e l’IP-10 esercitano una potente attività chemiotattica nei confronti dei monociti e dei linfociti T, mentre l’IL-9 stimola la proliferazione dei linfociti T attivati. Non si osservano, però, cambiamenti nel numero dei linfociti B, il che suggerisce l’esistenza di una incompleta risposta immunitaria adattativa. Da tener presente, che le proteine e gli antigeni di provenienza microbica – o comunque di origine biologica – non sono componenti del particolato, e questo spiegherebbe la mancata risposta umorale.

Gli effetti a breve termine conseguenti all’inalazione del particolato sono associati ad un aumento delle microparticelle di provenienza endoteliale, dei linfociti e delle citochine, che innescano la risposta infiammatoria in presenza di citochine anti-angiogeniche che, a loro volta, inducono l’apoptosi delle cellule endoteliali con conseguente aumento delle microparticelle circolanti

Un evento critico durante l’angiogenesi è la produzione di proteasi degradanti la matrice, che può essere un meccanismo atto a regolare alcune specifiche attività proteolitiche durante l’angiogenesi. Assume importanza il rilascio – da parte delle cellule endoteliali – di vescicole contenenti le metalloproteinasi della matrice (matrix metalloproteinases – MMPs), che sono responsabili della scissione e generazione di molecole di adesione solubili tra cui la sICAM-1 e la sVCAM-1 da parte dell’endotelio, il loro aumento è correlato all’esposizione al particolato fine ed ultrafine.  

Il tutto viene inscritto in processi complessi che prevedono la presenza di mediatori proinfiammatori e la loro capacità di indurre – oltre che nel polmone – una infiammazione di basso grado e l’aggravamento del processo aterotrombotico. 

In poche parole, anche nei giovani adulti sani l’esposizione episodica al particolato comporta l’aumento delle microparticelle endoteliali, delle concentrazioni di citochine anti-angiogeniche e la soppressione dei fattori di crescita angiogenica.

Da evidenziare che la VCAM-1 e la ICAM-1 sono coinvolte anche nelle infezioni polmonari sostenute da virus. L’espressione della VCAM-1 aumenta nei polmoni infettati sia sperimentalmente sia naturalmente, mentre l’espressione della ICAM-1 aumenta solo in caso di infezione naturale.

Asse polmone-cervello

Uno degli aspetti più importanti e caratteristici dell’inquinamento atmosferico è la sua implicazione nella patologia neurodegenerativa e nell’attivazione della microglia, questo ci consente di considerare che oltre al “gut–brain axis” esiste anche il “lung–brain axis”.

Le patologie del sistema nervoso centrale di più frequente riscontro nella popolazione che vive in ambienti con un elevato tasso di inquinamento atmosferico, come quello urbano e industriale, sono quelle che implicano una ridotta funzione cognitiva negli anziani, l’aumento del rischio di autismo, l’elevato rischio di malattia di Alzheimer, di malattia di Parkinson, patologie neurologiche Alzheimer e Parkinson simili e aumento dell’incidenza di ictus.

Malgrado i meccanismi specifici non siano stati del tutto compresi, acquisisce sempre più valore l’ipotesi che alla base ci siano l‘attivazione microgliale e la neuroinfiammazione indotte dall’inquinamento atmosferico. Contribuiscono ad inquinare questa matrice le complesse miscele chimiche che possono derivare anche da più fonti inquinanti, come ad esempio le emissioni dei motori a scoppio per autotrazione, la combustione del carbone, la combustione delle biomasse e i prodotti fotochimici secondari come l’ozono (O3). L’ozono a livello del suolo è un inquinante atmosferico molto diffuso ed è correlato agli effetti dannosi sulla salute dell’uomo; si forma quando precursori, come gli ossidi di azoto o le sostanze organiche volatili provenienti dai gas di scarico delle automobili e di altre fonti di inquinanti, subiscono reazioni fotochimiche.

Studi recenti hanno evidenziato che l’ozono è correlato all’aumento del rischio di sviluppare la malattia di Alzheimer e la malattia di Parkinson. L’ozono inalato è altamente reattivo e reagisce rapidamente con le componenti proteiche e lipidiche del surfactante negli alveoli polmonari, dando il via alla formazione di miscele di reagenti secondari e terziari responsabili degli effetti biologici dell’ozono.

Come l’inalazione di ozono possa influenzare il sistema nervoso centrale non è ancora del tutto chiaro; c’è, inoltre, molta preoccupazione per il fatto che in alcuni stati (soprattutto negli USA) le concentrazioni sono elevate, e nonostante gli sforzi per ridurne le concentrazioni se ne prevede, con il cambiamento climatico, un aumento a livello globale.

La microglia, essenziale per la salute del sistema nervoso, svolge importanti funzioni di protezione perché sono le cellule immunitarie innate residenti, le “sentinelle” preposte a vigilare l’ambiente (sistema nervoso) e a fungere da “elettricista” per regolare la comunicazione sinaptica.

La microglia risponde a una moltitudine di stimoli compresi gli inquinanti ambientali, che studi recenti indicano come fonte di neuroinfiammazione cronica e di attivazione microgliale. Alcuni studi effettuati sugli animali hanno evidenziato, che l’esposizione a diversi inquinanti atmosferici provoca un aumento delle citochine e conseguente stress ossidativo a livello cerebrale; più specificamente, sono molti gli inquinanti atmosferici che attivano la microglia.

Per la natura cronica dell’esposizione all’inquinamento atmosferico (soprattutto nelle aree urbane), per l’elevata prevalenza e per l’impatto sulla salute umana, è necessario comprendere i meccanismi attraverso i quali gli inquinanti atmosferici incidono negativamente sulle strutture cerebrali. Assume importanza lo studio dell’asse polmone-cervello e dei fattori che possono disregolare la funzione della microglia.

L’esistenza di un “asse polmone-cervello”, in cui il danno polmonare regola la funzione del sistema nervoso è supportata dal fatto che pazienti con broncopneumopatia ostruttiva cronica ed asma mostrano un aumento del rischio per alcune forme di demenza, compresa la malattia di Alzheimer.

Un esempio che ci viene in soccorso è l’inalazione di ozono, che ha effetti diretti solo alle vie respiratorie con una traslocazione minima nelle altre sedi anatomiche; la singola esposizione all’ozono, per un periodo di quattro ore, determina una modificazione persistente nella morfologia della microglia già a partire dalle ventiquattro ore dopo lo stimolo. È questa la dimostrazione che non è necessaria l’interazione diretta degli inquinanti inalati con il cervello per attivare la microglia. Quest’ultima rileva prontamente “eventi” che si verificano in “periferia”, come ad esempio la somministrazione sistemica di lipopolisaccaridi (LPS) e le lesioni conseguenti a fenomeni di ischemia-riperfusione intestinale; anch’esse lesioni in grado di incidere negativamente sulla neuropatologia in corso.

Sono sempre più numerosi gli studi che dimostrano l’esistenza di un asse polmone-cervello in cui l’interazione con la sostanza tossica si verifica prima nelle vie aeree e solo successivamente l’attivazione della microglia; tuttavia, questi “fattori attivanti” possono provenire anche dal fegato, dall’apparato cardiocircolatorio, gastrointestinale e/o altri organi. Poiché i meccanismi biomolecolari, che stanno alla base degli effetti negativi degli inquinanti atmosferici sul sistema nervoso centrale, hanno molte sfaccettature è probabile che ci sia anche il coinvolgimento del sistema nervoso autonomo e dell’asse ipotalamo-ipofisi-surrene.

Anche la compromissione della permeabilità della barriera ematoencefalica è conseguenza dei processi di invecchiamento, delle malattie neurodegenerative e dell’esposizione agli inquinanti atmosferici.  L’invecchiamento resta il fattore di rischio predominante per la malattia di Alzheimer, al quale va aggiunto, negli anziani, il declino cognitivo dovuto all’esposizione agli inquinanti atmosferici derivati dal traffico dei veicoli a motore alimentati da benzina o gasolio.[1]

Utilizzando uno dei modelli sperimentali per lo studio delle esposizioni legate al traffico, è stato dimostrato che il cervello dei topi adulti presentava una neuroinfiammazione più pronunciata e alcuni cambiamenti della morfologia della microglia, il tutto accompagnato da una risposta immunitaria meno efficiente a livello polmonare.

In base alla documentazione disponibile in letteratura, sarebbe opportuno verificare meglio il ruolo delle potenziali citochine/chemochine coinvolte, anche in virtù del fatto che le concentrazioni di citochine come CCL2, CCL11, TNFα, IL-6 e IL-1β non sono elevate nel siero di soggetti esposti all’ozono. Da approfondire il ruolo di altre interleuchine, degli IFN o delle prostaglandine come ad esempio le PGE. Da approfondire anche il ruolo dei recettori.

 

Recettori coinvolti nell’asse polmone-cervello

 Esistono diversi tipi di recettori coinvolti nell’asse polmone-cervello; ne è un esempio il recettore per l’istamina H1R (non H3R e H4R) coinvolto nell’esacerbazione dell’asma in caso di stress psicologico. Tuttavia, non sono stati ancora compresi tutti i meccanismi sottostanti alla correlazione tra i fattori di stress, risposte immunitarie Th2 e asma, soprattutto in virtù del fatto che il nucleo tuberomammillare (sede di produzione dell’istamina) è localizzato in un area del cervello molto complessa in quanto a funzioni: l’ipotalamo. 

 

Recettori HR e ipotalamo

I recettori dell’istamina (HR) sono recettori transmembrana accoppiati alle proteine G (GPCR) raggruppati in quattro principali sottotipi (H1R, H2R, H3R e H4R) espressi in tutto l’organismo, comprese le cellule immunitarie, la mucosa gastrica e i neuroni.

L’istamina nel cervello è prodotta dai neuroni istaminergici comprendente il nucleo tuberomammillare, le cui proiezioni si estendono in quasi tutte le aree del cervello e sono implicate nelle funzioni cerebrali superiori come eccitazione, cognizione, nocicezione e risposte allo stress. 

Il nucleo tuberomammillare costituisce un gruppo di grandi cellule che diffondono nelle regioni tuberale caudale e mammillare rostrale. Contribuisce a formare parte della zona ipotalamica mediale, ma si estende piuttosto lateralmente nella zona laterale.

Il nucleo tuberomammillare contiene una cospicua popolazione di neuroni istaminergici.

Ricordo alcuni degli specifici sistemi funzionali ipotalamici: ritmi circadiani tra cui il ciclo sonno veglia, risposta allo stress, termoregolazione, controllo degli stimoli della fame e della sete, comportamento sessuale e atteggiamento difensivo.

 

Un altro esempio sono i recettori dei leucotrieni, che legandosi con specifici recettori causano la contrazione della muscolatura liscia bronchiale, l’aumento della produzione di muco e della permeabilità vascolare, oltre al reclutamento degli eosinofili. I leucotrieni contribuiscono in maniera importante all’attacco asmatico. I cisteinil-leucotrieni, LTC4, LTD4, LTE4, sono eicosanoidi rilasciati da diversi tipi di cellule, tra cui i mastociti e gli eosinofili.

Come già anticipato, gli eosinofili e i neutrofili aumentano nei soggetti asmatici in caso di infezione virale, i leucotrieni possono contribuire ad esacerbare l’infiammazione eosinofila indotta dal virus. È ipotizzabile che gli antagonisti del recettore del cisteinil leucotriene (es. Montelukast), che hanno effetti antinfiammatori, possano sopprimere lo stress ossidativo e ridurre la produzione di citochine, limitando così la progressione dell’infezione virale come quella da SARS-CoV-2.

Anche il Nod-like receptor (NLR) assume importanza nella risposta dell’organismo agli inquinanti atmosferici, in particolare all’asbesto e alla silice: c’è il coinvolgimento dell’inflammasoma NALP3, la cui attivazione comporta la produzione di interleuchina 1β.[2]

In un modello sperimentale murino (topi Nalp3 – / -), l’inalazione di amianto ha indotto, parallelamente alla minore produzione di citochine, una minore capacità del reclutamento di cellule infiammatorie nei polmoni. Nelle malattie polmonari correlate all’esposizione al particolato, il NALP3 svolge l’importante, ma pericoloso, ruolo di recettore proinfiammatorio. L’inalazione di amianto o silice, nelle esposizioni professionali, può provocare fibrosi polmonare e/o cancro del polmone, soprattutto nei fumatori. I macrofagi, dopo l’esposizione a queste sostanze, producono interleuchina 1β; cosa che non accade dopo l’esposizione alle particelle derivate dalla combustione del gasolio.

I meccanismi di azione degli inquinanti urbani sulle IgG anti HSV-1 non sono chiari. Studi condotti sull’uomo e sull’animale da esperimento hanno evidenziato che alcuni composti (IPA, nichel, piombo, rumore) inducono un incremento del titolo anticorpale diversamente da altre sostanze (benzene, toluene, stirene e ozono) che ne inducono una riduzione. Per quanto riguarda gli anticorpi IgG anti HSV-1, si può ipotizzare che la riduzione dell’attività cellulo-mediata possa indurre una riattivazione dell’infezione latente da HSV di tipo 1. 


[1]  Alcune componenti dell’emissioni inquinanti dei motori alimentati a benzina e gasolio sono le seguenti: carbonio elementare, carbonio organico, ammonio, solfati, nitrati, metalli, alcani, carbonile, idrocarburi policiclici aromatici (PAH), nitro-IPA e carbonio organico volatile (COV).

[2] L’attivazione dell’inflammasoma è innescata dalle specie reattive dell’ossigeno generate da una NADPH ossidasi.