Particulate Matter

and

Neurodegeneration

Alessandra Bulbarelli

22 NOVEMBRE 2016

Air pollution and neurodegeneration: is a reality?

“….a large body of evidence indicates that air pollution

contributes to BRAIN INFLAMMATION and the risk of

Alzheimer’s-type NEURODEGENERATIVE DISEASE as well.”

1) Gli abitanti di città con un elevato grado di inquinamento atmosferico sono più soggetti a

neuroinfiammazione e neurodegenerazione, rispetto ai residenti in città meno inquinate.

2) Dati epidemiologici, test cognitivi, di neuroimaging, studi istopatologici sia nell’ uomo che animali,

indicano UN COLLEGAMENTO TRA INQUINAMENTO ATMOSFERICO E MALATTIA

NEURODEGENERATIVA.

MARKERS DI NEURODEGENERAZIONE ASSOCIABILI ALL’INQUINAMENTO: ACCUMULO DI BETA-

AMILOIDE, STRESS OSSIDATIVO, ATTIVAZIONE DELLA RISPOSTA INFIAMMATORIA

NELL’ENDOTELIO CEREBRALE E NEL TESSUTO NERVOSO.

THE CONSTANT EXPOSURE TO AIR POLLUTION RESULTS IN

PROFOUND HEALTH IMPACTS ON THE POPULATION AS A WHOLE.

PARTICULATE COMPONENT ALONE ARE THE THIRTEENTH LEADING

CAUSE OF GLOBAL MORTALITY, CAUSING APPROXIMATELY 800,000

DEATHS PER YEAR.”

EFFETTI

DELL’ INQINAMENTO

ATMOSFERICO

SUL CERVELLO:

STUDI IN VIVO E IN

VITRO

Air pollution: mechanisms of neuroinflammation and CNS

disease Michelle L. Block and Lilian Caldero´n-Garciduenas

INQUINAMENTO E MALATTIE NEUROLOGICHE

effetti degli inquinanti atmosferici sulle cellule neuronali: studi in vitro e in vivo.

Valutazione di: vitalità cellulare, apoptosi, disfunzione mitocondriale, produzione di specie

reattive dell’ ossigeno (ROS) e di citochine pro-infiammatorie.

Per alcune patologie centrali gli

agenti inquinanti coinvolti

direttamente sono già noti.

Per il PM l’effetto è

meno chiaro perché dovuto alle

interazioni sinergiche di

agenti eterogenei

INDAGINE DIFFICOLTOSA

DANNI:

1) infiammazione sistemica;

2) Danno da dimensione del

particolato

3) composti adsorbiti: effetto

«cavallo di Troia»

4) Inalazione /produzione di ROS

IMPATTO del PM SUL CNS:

Air pollution: mechanisms of neuroinflammation and CNS

disease Michelle L. Block and Lilian Calderon-Garciduenas

L'inquinamento atmosferico è paragonabile ad una «tossina complessa» in grado di causare

diverse patologie del SNC, attivando più meccanismi correlati tra loro.

Accesso al CNS

(Genc et al., 2012)

1) Una prolungata esposizione

a significativi livelli di

particelle ultrafini può

comportare la traslocazione

diretta di questi inquinanti al

SNC, (neuropatologie per

attivazione di meccanismi

diversi).

2) In alternativa, gli inquinanti

atmosferici potrebbero non

entrare nel CNS direttamente,

ma esercitare effetti negativi

innescando il rilascio di

mediatori infiammatori solubili

da organi di ingresso primari o

da siti di deposizione

secondari.

1 21

PM agendo sul sistema cardiovascolare con vari meccanismi: processi trombotici, vasocostrizione

arteriosa e risposta infiammatoria sistemica (endotelite...) apre la strada all’aterosclerosi (processo

infiammatorio sistemico, prima ancora che patologia da accumulo distrettuale di grassi..)

IPOTESI

DI MECCANISMI

BIOLOGICI CHE

CORRELANO PM E

MALATTIE

CARDIOVASCOLARI

PARTICELLE ULTRAFINI CHE PENETRANO IN PROFONDITÀ NEI POLMONI ATTIVANO

RISPOSTE INFIAMMATORIE CHE VIAGGIANO DIRETTAMENTE NEL SANGUE CIRCOLANTE.

ACCESSO AL CNS: BULBI OLFATTIVI

Possibile via di ingresso

NEURONI ASTROCITI MICROGLIA

Campbell A., Inflammation,

neurodegenerative diseases,

and environmental exposures.

Ann N Y Acad Sci. 2004

Dec;1035:117-32.

I bulbi olfattivi sono un

potenziale canale per sostanze

tossiche che dal naso possono

raggiungere il cervello.

Particelle ultrafini identificate nei

bulbi olfattivi

come le UFPs accedono attraverso il bulbo

olfattivo alle diverse aree del cervello NON è

CHIARO

MA

Attraverso vie olfattive si ha accesso alla

corteccia entorinale e all'amigdala, aree

correlate all'apprendimento e alla memoria

INOLTRE

IL DEPOSITO DI PARTICELLE NEL NASO

CAUSA INFIAMMAZIONE E ROTTURA DELLA

BARRIERA OLFATTIVA CHE POTREBBE

FACILITARE IL TRASPORTO DI SOSTANZE

TOSSICHE

BARRIERA EMATOENCEFALICA

I microvasi cerebrali costituiscono la

BARRIERA EMATO-ENCEFALICA (BBB).

Sono distinti dalla maggior parte del sistema

vascolare in quanto sono una barriera

formidabile a macromolecole, tossine,

farmaci e ioni.

Il particolato è stato identificato sia nei

capillari cerebrali umani che nel

parenchima cerebrale suggerendo la sia

la capacità di interagire che di

attraversare le cellule della BBB.

ESPOSIZIONE ALL'INQUINAMENTO

ATMOSFERICO = DANNO ENDOTELIO

CEREBRALE

Air pollution: mechanisms of

neuroinflammation and CNS

disease Michelle L. Block and

Lilian Caldero´ n-Garciduen˜as

PARTICOLATOAIR POLLUTION IMPACTS BBB AT

CELLULAR LEVEL.

Chronic exposure to air pollution

results in peripheral circulating of

cytokines, particulate matter and

decrease of tight junction proteins.

Endothelial cell damage upregulates

proteins of cerebral vasculature,

promoting the barrier failure.

Moreover, PM causes production of

cytokines and ROS in brain capillaries

affecting changes in protein transporter

expression and function

Brain capillaries recognize air

pollution and respond by regulating

physical and chemical barrier

function, producing pro-

inflammatory signals and

distributing ROS, cytokines (and

particulate matter) to the brain

parenchyma, further contributing to

CNS pathology.

endothelial cell

tight junctions

Pericytes

basal lamina

astrocyte end-feet

Rilascio di molecole infiammatorie

1) citochine pro-infiammatorie

IL-1, IL-6, TNF

2) ossido nitrico (NO) e altri ROS

3) molecole immunogeniche (LPS,

DNA batterico

attivano recettori

Toll-like (TLR).

microglia attiva rilascia mediatori pro-

infiammatori:

1) ROS (anione superossido O2-, perossido di

idrogeno H2O2, ossido di azoto NO,

perossinitrito ONOO)

2) citochine e chemochine (IL-1β, IL-6, TNF).

ATTIVAZIONE DELLA CASCATA LIPIDICA:

1) rilascio di acido arachidonico (AA), origina prostaglandine (PG), trombossani (TX), leucotrieni (LT) o

lipossine (LX)) per azione di ciclossigenasi (COX- 1, COX-2) e lipossigenasi (5-LO, 15-LO).

2) rilascio di acido docosaesaenoico (DHA) porta alla produzione di resolvine e neuroprotectine (azione

antinfiammatoria protettiva dai processi di ischemia-riperfusione), promuovono sopravvivenza neuronale

Qualsiasi interruzione della barriera ematoencefalica (BBB), espone la

microglia ad una varietà di agenti pro-infiammatori attivazione di

microglia, neuroinfiammazione e neurodegenerazione

2012, American Society for Neurochemistry. Published by Elsevier Inc.

Attivazione microglia in neuroinfiammazione e neurodegenerazione

La risposta infiammatoria

prolungata porta a

INFIAMMAZIONE CRONICA,

neuroinfiammazione, (morte

neuronale e insorgenza di malattie

neurodegenerative), morbo di

Alzheimer (AD), sclerosi laterale

amiotrofica (SLA), la

degenerazione maculare legata

all'età (AMD) , malattia di

Huntington (HD), lsclerosi multipla

(SM) e morbo di Parkinson (PD).

Attivazione della microglia, e

amplificazione del processo

risposta infiammatoria acuta

che per il SNC può essere

vantaggiosa, a condizione che

sia di breve durata.

La normale progressione dell’ INFIAMMAZIONE ACUTA va

verso la risoluzione, si attivano riparazione dei tessuti e

clearance fagocitica. L'omeostasi è presumibilmente mediata

dal rilascio di citochine anti-infiammatorie (IL-10) e da anti-

infiammatori come lipossine, resolvine e neuroprotectine.

1

2

Perossidazione acido arachidonico

(AA) e acido docosaesaenoico (DHA,

omega-3) nell’ infiammazione del CNS

Attivazione microglia nella

neuroinfiammazione e

neurodegenerazione

Campbell A., Inflammation, neurodegenerative diseases, and environmental exposures. Ann N Y Acad Sci. 2004 Dec;1035:117-32.

C) La conformazione morfologica

ramificata della cellula quiescente tipica

assume struttura simil ameboide cui

segue degradazione di detriti cellulari e

agenti patogeni.

Successivamemte la risposta

infiammatoria si riduce.

1 Risposte immunitarie innate nel sistema nervoso centrale

A) SNC è protetto dall’ingresso di agenti

patogeni nella circolazione sistemica dalla presenza

della BBB.

B) Deterioramento della BBB durante il corso naturale

di invecchiamento può lasciare aree del SNC

compromesse, accessibili ad agenti patogeni.

Gli agenti patogeni attivano le cellule microgliali.

Air pollution: mechanisms of neuroinflammation and CNS disease Michelle L. Block1 and Lilian Caldero´

n-Garciduen˜ as2,3

Campbell A., Inflammation, neurodegenerative diseases, and environmental exposures. Ann N Y Acad

Sci. 2004 Dec;1035:117-32.

2 Attivazione cronica della microgliaMICROGLIOSI REATTIVA: Attivazione cronica e tossica della microglia, cui l'inquinamento atmosferico

può contribuire attraverso tre meccanismi:

(i) le componenti del PM attivano direttamente microglia;

(ii) risposta infiammatoria sistemica periferica e rilascio di citochine

(iii) particelle, composti adsorbiti o citochine danneggiano direttamente i neuroni: stimolo risposta

microglia.

LIVELLI DI TNF-a LIVELLI di IL-1a

Ratti maschi Fischer esposti a scarico del motore diesel utilizzando un sistema di esposizione

solo nasale (6 ore / giorno, 5 giorni / sett per 4 settimane).

Gli animali di controllo sono stati esposti a aria filtrata.

Valutati: cervelletto, ippocampo, bulbo olfattivo, striato, corteccia

ESPERIMENTO IN VIVO

Figure 1 Pro-inflammatory cytokine levels. A. Levels of TNF-α in different regions of the rat brain after exposure to filtered air (Control) or DEE (Diesel-

exposed). Values given as mean ± SE; n = 5; *p < 0.05 compared to control. OB+T = olfactory bulb and the tubercles. B. Levels of IL-1α in different regions

of the rat brain after exposure to purified air (Control) or DEE (Diesel-exposed). Values given as mean ± SE; n = 5; *p < 0.05 compared to control. OB+T =

olfactory bulb and the tubercles. Effect of prolonged exposure to diesel engine exhaust on proinflammatory markers in different regions of the rat brain

Miriam E Gerlofs-Nijland, Damien van Berlo, Flemming R Cassee, Roel PF Schins, Kate Wang and

Arezoo Campbell. Particle and Fibre Toxicology20107:12

UFP inducono produzione di TNFalpha da parte della microglia che è responsabile dell’inibizione della crescita neuritica

Il blocco del recettore del TNFalpha restaura

la normale crescita neuronale

CONI DI CRESCITA

STRATIFICAZIONE DEL RISCHIO

Interazione tra invecchiamento, predisposizione

genetica e esposizioni ambientali durante la

neurodegenerazione.

Studi in bambini di Città del Messico (città molto

inquinata), rispetto ai controlli (città con basso

inquinamento), hanno mostrato una elevata

incidenza di deficit cognitivi in test psicometrici e

presentavano anomalie nella regione prefrontale.

.

Da esami post mortem le lesioni sono state associate

a neuroinfiammazione, deposizione di particolato

ultrafine e gliosi (proliferazione degli astrociti)

indicando danno neuronale.

Ciò suggerisce che l'infiammazione del cervello legata

all'inquinamento atmosferico inizia in tenera età ed è associata

al deterioramento cognitivo precoce.

Analisi autoptica

cerebrale di bambini.

Analisi istologica e al ME

Evidenze di alterazioni

nella zona prefrontale,

danni alla BBB

Deposizione di

lipofuscina e strutture

amiloidi

EVIDENZA di UFP nel

tessuto cerebrale

LOCALIZZAZIONE DI UFP NELLA SOSTANZA BIANCA Correlazioni epidemiologiche tra INQUINAMENTO E AUTISMO

“Human epidemiological studies and controlled animal studies have shown that exposure to

air pollution, and to traffic-related air pollution or DE in particular, may lead to neurotoxicity.

Air pollution is emerging as a possible etiological factor in neurodevelopmental (e.g. autism

spectrum disorders, ASD) and neurodegenerative (e.g. Alzheimer’s disease) disorders”.

………….Studies in California found that residential proximity to freeways and gestational and early-life

exposure to traffic-related air pollution were associated with autism (OR = 1.86; 95% CI = 1.04–3.45).

Similar results were obtained in another epidemiological study in California and in the Nurses’ Health

Study II, in which perinatal DE exposure was significantly associated with ASD, particularly in boys.

An additional study of two cohorts in North Carolina and California also reported an association

between PM exposure and ASD, particularly when exposure occurred in the third trimester of

pregnancy (Kalkbrenner et al., 2015). The higher susceptibility of third trimester exposure was also

evidenced by a study of Raz et al. (2015) in the Nurses’ Health Study II cohort. The few available animal

studies are in agreement with the human observations (Costa et al., 2014a).

Prenatal and early life exposure of mice to DE is associated with a number of behaviors similar to those

present in humans with ASD, including higher levels of motor activity, elevated levels of self-grooming,

and increased rearing (Thirtamara Rajamani et al., 2013)………………….

Volk et al. (2011, 2013); Becerra et al., (2013);Roberts et al., (2013)

Studies in mice acutely exposed to DE (250–300 mg/m3 for 6 h) have shown microglia activation, increased lipid

peroxidation, and neuro-inflammation in various brain regions, particularly the hippocampus and the olfactory bulb.

Suscettibilità legata background genetico o al sesso “…..Gclm

mouse lacks the

modifier subunit

of glutamate-

cysteine ligase,

the first and

rate-limiting

enzyme in the

synthesis of

glutathione

(GSH), a main

player in cellular

defense against

oxidative stress.

Gclm/ mice

have very low

levels of GSH in

all tissues

including the

brain.”

HP: differential expression of the antioxidant/anti-inflammatory enzyme paraoxonase 2 (PON2) in brain from male and

females (Giordano et al., 2013b; Costa et al., 2014b).

PON2 is an intracellular enzyme, capable of scavenging reactive oxygen species and thereby protecting cells from

oxidative stress-induced neurotoxicity, in addition to have anti-inflammatory properties (Costa et al., 2014b).

In all brain regions and cell types studied, and in several species including humans, PON2 levels are higher in

females than in males, and levels of PON2 inversely correlate with the degree of susceptibility to the in

vitro toxicity of neurotoxicants causing oxidative stress (Giordano et al., 2013a).

Sex differences also exist with regard to susceptibility to DE-induced lipid peroxidation and neuroinflammation in vivo

(Giordano et al., 2013b; Costa et al., 2014a).

SEX DIFFERENCES IN SUSCEPTIBILITY TO NEUROTOXICITY INDUCED BY

TRAFFIC-RELATED AIR POLLUTION.

La Paraoxonasi è una glicoproteina calcio-dipendente, circola

nelle HDL, previene la perossidazione delle lipoproteine a

bassa densità (LDL) e contrasta pertanto il processo

ateromasico.

Famiglia multigenica localizzata sul braccio lungo Chr 7. Noti

diversi polimorfismi, il Gln192Arg nel gene PON1 è associato a

rischio cardiovascolare, perché favorisce il processo

aterosclerotico. Ranade et al. 2005

Alzheimer’s DiseaseDescritta dallo psichiatra tedesco Alois Alzheimer (1906). Generalmente

diagnosticata in persone oltre i 65 anni di età.Ad esordio precoce (prima dei 65):

solo il 5-10% dei pazienti, diverse cause genetiche

Perdita della capacità di

comunicare in modo coerente

Bisogno di assistenza

quotidiana:

cura personale totale per

vestirsi, mangiare, ecc

Declino delle capacità fisiche:

incapacità di camminare, alzarsi,

tenere la testa alta

Cause?Diverse ipotesi :

IPOTESI COLINERGICA

riduzione della sintesi di acetilcolina

Distruzione di neuroni colinergici provoca

danni a reti neuronali (percezione,

memoria, giudizio)

AMILOIDE IPOTESI

accumulo/depositi di beta amiloide

La proteina amiloide misfolded e

aggregata comporta morte neuronale

TAU IPOTESI

Causata da anomalie strutturali della

proteina tau iperfosforilata che origina la

formazione di grovigli neurofibrillari

Fattori di rischioObesità

Ipertensione arteriosa

Traumi cerebrali

Colesterolo alto

Depressione

Bassa scolarizzazione

Overview of AlzPathway overlaid with canonical pathway annotations for explanation

of map. AlzPathway consists of 1347 molecules, 1070 reactions, and 129 phenotypes.

Original and high resolution version of AlzPathway is available at http://alzpathway.org/

webcite as both the SBML (Systems Biology Markup Language) map for CellDesigner and

the high resolution image map without overlay of canonical pathway annotation

AD and

ENVIRONMENTAL

CAUSES:

AIR POLLUTION

To understand the

physiopathological correlations

between UFPs exposure and

neurotoxicity.

DEP

Diesel Exhaust Particles (National

Institute of Standards and Technology,

USA).

1. In-vitro experiments

METHODS

HT-22, immortalized mouse hippocampal neurons

Male BALB/c mice instilled directly in the

trachea with UFPs from different sources

DEP Diesel light duty vehicle emissions

sampled by ENEA.

BC biomass combustion

2. In-vivo experiments

The precise amount of PM reaching the brain is currently unknown: studies demonstrated that

0.01-0.001% of inhaled nanometer-sized iridium and carbon particulate remain in the brain 24 hr

after exposure (Kreyling et al., 2009).

Animal exposure:

o Single intratracheal instillation. After 3h since exposure, animals were sacrificed. (50 µg/100 µl

physiological solution).

o Ongoing experiments: three intratracheal instillations. After 24h since last exposure, animals were

sacrificed. (50 µg/100 µl physiological solution each treatment).

1) L'INQUINAMENTO ATMOSFERICO È UNA MISCELA COMPLESSA DI SOSTANZE TOSSICHE

CHE ATTACCANO IL SNC ATTRAVERSO PERCORSI CELLULARI DIVERSI E CAUSANO

PATOLOGIE DIFFERENTI.

2) LA PATOLOGIA A LIVELLO CENTRALE È DOVUTA ALLA INTERAZIONE SINERGICA DI

MOLTEPLICI VIE E MECCANISMI CELLULARI, RENDENDO L'INQUINAMENTO ATMOSFERICO UN

POTENTE AGENTE CITOTOSSICO

3) L'INQUINAMENTO DELL’ARIA PROVOCA NEUROINFIAMMAZIONE, STRESS OSSIDATIVO,

DANNI CEREBROVASCOLARI, NEURODEGENERAZIONE (ALZHEIMER).

4) GLI EFFETTI SONO ASSOCIATI A INFIAMMAZIONE SISTEMICA DEI CAPILLARI CEREBRALI E

MICROGLIA CHE RISPONDONO ATTIVANDO A LORO VOLTA INFIAMMAZIONE CRONICA E

STRESS OSSIDATIVO.

5) L’EPIDEMIOLOGIA LEGA L'ESPOSIZIONE A SPECIFICI INQUINANTI ATMOSFERICI

ALL’AUMENTATO RISCHIO DI SVILUPPARE ICTUS, SCLEROSI MULTIPLA E PD.

SOMMARIO E CONCLUSIONI