Interazione di nanoparticelle metalliche con menbrane biologiche: risultati di studi in vitro su cute, mucosa del cavo orale e meningi ed implicazioni per la salute

Abstract

L’utilizzo di nanomateriali, ovvero una nuova classe di sostanze composte da particelle ultrafini con dimensioni comprese fra 1 e 100 nm (American Society for Testing Materials - ASTM), è in costante aumento a livello globale. La particolarità di tali sostanze è rappresentata da un alto rapporto tra la superficie e il volume delle particelle, che determina caratteristiche chimico-fisiche completamente differenti rispetto alle omologhe macrosostanze di riferimento. Tali caratteristiche sono tali da imporre una loro classificazione come nuovi agenti chimici (Royal Society & Royal Academy of Engineering report 2004). Gli impieghi attuali dei nanomateriali risultano in continua evoluzione, spaziando in diversi ambiti, dall’industria farmaceutica e cosmetica, all’industria tessile, elettronica, aerospaziale ed informatica. Diversi sono anche gli impieghi in campo biomedico; tra questi la diagnostica e la farmacoterapia. È quindi prevedibile che in futuro una quota sempre maggiore di lavoratori e consumatori risulteranno esposti a tali sostanze. Allo stato attuale non vi è una completa conoscenza degli effetti tossicologici ed ambientali di queste sostanze, pertanto, al fine di un loro utilizzo in totale sicurezza, risulta necessario capirne meglio l’impatto sulla salute, le vie di penetrazione nel corpo umano e il rischio per i lavoratori conseguente al loro utilizzo o lavorazione. La cute rappresenta la prima barriera nei confronti delle sostanze tossiche che possono entrare in contatto con l’organismo umano. Successivamente agli anni ‘60, quando si riteneva che la cute rappresentasse una barriera totalmente impermeabile, è stato dimostrato come essa presenti differenti gradi di permeabilità nei confronti di alcuni xenobiotici, dipendente dalle caratteristiche delle sostanze in esame, dal sito anatomico di penetrazione, dal grado di integrità della barriera stessa e dall’eventuale presenza di patologie della cute. La mucosa del cavo orale funge da primo filtro nei confronti delle sostanze che entrano in contatto con il tratto digestivo e può venir coinvolta in contaminazioni di superficie determinate da esposizioni occupazionali e/o ambientali. È noto che, rispetto alla cute, presenti una permeabilità all’acqua quattro volte maggiore, e, per tale motivo, è stata studiata come via di somministrazione di farmaci, ma, ad oggi, pochi sono gli studi che ne hanno valutato le caratteristiche di permeazione nei confronti delle nanoparticelle (NPs). Una terza importante barriera biologica è quella che ricopre il sistema nervoso centrale, essa è rappresentata da tre foglietti di tessuto connettivo, che assieme costituiscono le meningi. Questi tre foglietti rivestono completamente l’encefalo permettendone un isolamento, tradizionalmente ritenuto completo, nei confronti degli xenobiotici. L’unica via di assorbimento diretto, in questo contesto, è rappresentata dalla via intranasale. Essa permette un passaggio diretto di sostanze dall’epitelio olfattivo all’encefalo, eludendo la selettiva barriera emato-encefalica. Negli ultimi anni la letteratura scientifica si è arricchita di studi che hanno indagato le caratteristiche di assorbimento di farmaci attraverso questa via, ma pochissimi sono gli studi che hanno indagato la possibile penetrazione di nanoparticelle attraverso questa via, e nessuno, in particolar modo, ha indagato le caratteristiche di permeazione delle meningi. L’attività di ricerca svolta nell’ambito del presente dottorato ha avuto per finalità l’indagine delle caratteristiche di permeabilità e di assorbimento della cute, della mucosa del cavo orale e delle meningi nei confronti di alcune nanoparticelle, scelte fra quelle più rappresentative in relazione alla diffusione d’utilizzo a livello globale. I risultati degli esperimenti condotti hanno dimostrato, in vitro, che l’esposizione cutanea a Pt, Rh, Co3O4 e Ni NPs determinano permeazione in tracce dei medesimi metalli attraverso la cute, mentre per le TiO2 NPs tale permeazione non è stata dimostrata. È stato riscontrato, inoltre, che la mucosa del cavo orale e le meningi sono permeabili nei confronti dell’Ag in forma nanoparticellare.

The use of nanomaterials, which is a new class of compounds composed of ultrafine particles with dimensions between 1 and 100 nm (American Society for Testing Materials - ASTM), is globally steadily increasing. The peculiarity of such substances is represented by a high ratio between the surface and the volume of the particles, which determines chemical and physical characteristics completely different compared to the homologous bulk materials. These characteristics are such as to require classification as new chemicals (Royal Society & Royal Academy of Engineering report 2004). Existing uses of nanomaterials are evolving, ranging in various fields, from the pharmaceutical, cosmetic and textile industry, electronics, aerospace and information technology. Several are also the applications in the biomedical field, including diagnostics and pharmacotherapy. It is therefore expected that in the future, an increasing proportion of workers and consumers will be exposed to these substances. Nowadays there is a lack in the full understanding of the environmental and toxicological effects of these substances, therefore, in order to use them in a safe way, it is necessary to better understand the impact on health, the way of entry into the human body and the risk for workers following their use or processing. The skin is the first barrier against toxic substances that may come into contact with the human body. After the ‘60, when it was believed that the skin represented a totally waterproof barrier, it has been proven that it present different degrees of permeability towards some xenobiotic, depending on the characteristics of the tested substances, the anatomical site of penetration, the degree of barrier integrity and the possible presence of skin disorders. The oral mucosa acts as a first filter against the substances that come into contact with the digestive tract and may be involved in surface contamination caused by occupational and/or environmental exposure. It is known that, compared to the skin, it present a permeability to water 4 times greater, and, for this reason, it has been studied as a way for drug administration, but, to date, there are few studies that evaluated the characteristics of permeation against nanoparticles (NPs). A third important biological barrier is the one which ensheath the central nervous system, which is represented by three sheets of connective tissue, that together form the meninges. These three sheets cover completely the brain allowing isolation, which is traditionally believed to be complete towards xenobiotics. The only way of direct absorption, in this context, is represented by the intranasal pathway, allowing a direct passage from the olfactory epithelium to the brain, bypassing the selective blood-brain barrier. In recent years, the scientific literature has been enriched by studies that have investigated the absorption characteristics of drugs by this route, but very few studies investigated the possible penetration of nanoparticles through this path, and no one in particular, has investigated the permeation characteristics of the meninges. The research carried out during this PhD has had for objective the investigation of the permeability characteristics and absorption of the skin, the oral mucosa and the meninges against some NPs, chosen among the most representative in relation the spread of globally use. The results of the experiments conducted have shown, in vitro, that dermal exposures to Pt, Rh, Ni and Co3O4 NPs determine traces of permeation of such metals through the skin, while the permeation for TiO2 NPs was not demonstrated. It has been found, moreover, that the oral mucosa and the meninges are permeable towards Ag NPs.