Contribution of applied biology to mitigation of urban air pollution and prevention of its effects on health and environment

Abstract

According to World Health Organization (WHO), each year 7 million of people in the world die prematurely because of indoor and outdoor air pollutants. In recent years, ultrafine atmospheric particles (UFPs) are attracting more attention because of their health risks. Fine and ultrafine particles, due to their small size, can penetrate deeper and settle in the alveolar region of the lungs where they can translocate into the bloodstream through the capillary barrier and reach other organs. We want to better understand how the UFPs can affect our health and obtain an overview of the biological mechanisms induced. To do so, we tackled the matter with two different approaches, which are: a molecular one, using “omic” technologies, and an epidemiological one, focusing on the investigation of specific biomarkers. The molecular approach is to work with engineered nanoparticles (ENPs) as a manageable tool to study the mechanisms of toxicity of UFPs, given their similarities in size, metal content, induced biological effects and exposure pathways. We investigated the toxicity of Cadmium Sulfide Quantum Dots (CdS QDs), engineered nanoparticles, on two different cell lines representing different routes of exposure: HepG2 (liver hepatocellular carcinoma) and THP-1 (peripheral blood monocyte). Both cell lines were exposed for 24 hours to sub-toxic dose of CdS QDs, and subsequently the RNA sequencing and miRNome profiling were performed. Transcriptomic data and analysis of miRNAs-mRNAs interactions reveal for HepG2 the activation of the RAS and Calcium signalling pathways, while for THP-1 they point to JAK/STAT signalling and inflammatory pathways, leading to blockade of autophagic flux. In the second section an epidemiological approach was used. We developed a long-term investigation at population scale to assess the link between air pollutants (including UFPs) and inflammation and coagulation blood-biomarkers reflecting cardiovascular health. The air pollutants considered for this work were: PM(10; 2.5; coarse), NO(x; 2), O3 and ultrafine particles as PNC. The statistical method used for this analysis was "Multiple linear regression adjusting for confounders. The results exhibit a strong association between biomarkers of inflammation and coagulation with almost all the pollutants, in particular with UFPs since most inflammatory biomarkers show meaningful association. In conclusion, we observed adverse effects of nanoparticles at molecular level and in a short-term exposure, as well as at population-scale in long-term exposure. Moreover, this study highlighted the association among inflammation and coagulation blood-biomarker with PM and gaseous pollutant, linking it directly with the increasing risk of cardiovascular disease.

Secondo l'Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS), ogni anno 7 milioni di persone nel mondo muoiono prematuramente a causa degli inquinanti atmosferici, indoor e outdoor. Negli ultimi anni una maggiore attenzione è stata data alle particelle atmosferiche ultrafini (UFPs). A causa delle loro dimensioni, le particelle fini e ultrafini possono penetrare più in profondità e stabilirsi nella regione alveolare dei polmoni, dove una parte di loro può traslocare nel flusso sanguigno attraverso la barriera emato-alveolare e raggiungere così altri organi. L'obiettivo del mio progetto di ricerca è quello di studiare come le UFPs impattano sulla nostra salute e ottenere una panoramica dei meccanismi biologici che inducono. Per farlo, abbiamo affrontato la questione con due approcci: uno molecolare, utilizzando tecnologie "omiche", e uno epidemiologico, concentrandoci sull'indagine di specifici biomarcatori. L'approccio molecolare è consistito nel lavorare con nanoparticelle ingegnerizzate (ENPs) come proxy per le UFPs, date le loro somiglianze in termini di dimensioni, contenuto di metalli, effetti biologici indotti e vie di esposizione. Abbiamo studiato la tossicità dei Cadmium Sulfide Quantum Dots (CdS QDs), nanoparticelle ingegnerizzate, e per rappresentare al meglio le diverse vie di esposizione, abbiamo scelto due diverse linee cellulari: HepG2 (carcinoma epatocellulare) e THP-1 (monociti del sangue periferico). Entrambe le linee cellulari sono state trattate rispettivamente con dosi sub-tossiche di CdS QDs per 24 ore. L'RNA è stato poi isolato e sono stati eseguiti il sequenziamento dell'RNA e il profiling del miRNoma. I dati trascrittomici e le analisi delle interazioni miRNAs-mRNAs hanno rivelato per le HepG2, l'attivazione delle vie di segnalazione RAS e del Calcio, e per le THP-1 l'attivazione di JAK/STAT e di pathways infiammatori, evidenziando un possibile blocco del processo autofagico. Nella seconda parte del lavoro è stato utilizzato un approccio epidemiologico. Lo scopo è stato di quello di studiare la possibile associazione tra l’esposizione a lungo termine ad inquinanti atmosferici (compresi le UFPs) e biomarcatori del sangue che riflettono infiammazione e coagulazione, quindi collegati al rischio di malattie cardiovascolare. Gli inquinanti atmosferici considerati per questo lavoro sono stati: PM(10; 2.5; coarse), NO(x; 2), O3 e particelle ultrafini come PNC. Il metodo statistico utilizzato per questa analisi è stato la "regressione lineare multipla" tenendo conto di possibili variabili confondenti. I risultati mostrano una forte associazione tra i biomarcatori dell'infiammazione e della coagulazione e quasi tutti gli inquinanti, in particolare con le UFPs, per queste la maggior parte dei biomarcatori infiammatori mostrano un'associazone significativa. In conclusione, abbiamo osservato effetti avversi delle nanoparticelle a livello molecolare in un'esposizione a breve termine, così come su scala di popolazione in esposizione a lungo termine. Inoltre, questo studio ha evidenziato l'associazione tra biomarcatori del sangue dell’infiammazione e coagulazione con PM e inquinanti gassosi, evidenziando così l’associazione tra l’esposizione a lungo termine a inquinanti atmosferici e il rischio cardiovascolare.