Prima analisi a livello nazionale del legame tra inquinamento da particolato fine (PM2,5) e malattie neurodegenerative negli Stati Uniti

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L’inquinamento atmosferico è stato significativamente associato a un aumento del rischio di ricoveri ospedalieri per diversi disturbi neurologici, tra cui il morbo di Parkinson, il morbo di Alzheimer e altre demenze, in uno studio a lungo termine su oltre 63 milioni di anziani statunitensi, condotto dai ricercatori di Harvard TH Chan Scuola di sanità pubblica.

Lo studio, condotto con i colleghi della Rollins School of Public Health della Emory University e della Mailman School of Public Health della Columbia University, è la prima analisi a livello nazionale del legame tra inquinamento da particolato fine (PM2.5) e malattie neurodegenerative negli Stati Uniti.

I ricercatori hanno sfruttato una quantità di dati senza precedenti rispetto a qualsiasi studio precedente sull’inquinamento atmosferico e sui disturbi neurologici.

Lo studio sarà pubblicato online il 19 ottobre 2020 su The Lancet Planetary Health.

“Il rapporto 2020 della Commissione Lancet sulla prevenzione, l’intervento e la cura della demenza ha aggiunto l’inquinamento atmosferico come uno dei fattori di rischio modificabili per questi risultati”, ha detto Xiao Wu, dottorando in biostatistica presso la Harvard Chan School e co-autore principale di lo studio.

“Il nostro studio si basa sulla piccola ma emergente base di prove che indica che l’ esposizione a lungo termine al PM2,5 è collegata a un aumentato rischio di deterioramento della salute neurologica, anche a concentrazioni di PM2,5 ben al di sotto degli attuali standard nazionali”.

I ricercatori hanno esaminato il valore di 17 anni (2000-2016) dei dati sui ricoveri ospedalieri da 63.038.019 destinatari di Medicare negli Stati Uniti e li hanno collegati con le concentrazioni di PM2,5 stimate per codice postale .

Tenendo conto di potenziali fattori di confusione come lo stato socioeconomico, hanno scoperto che, per ogni aumento di 5 microgrammi per metro cubo d’aria (μg / m3) nelle concentrazioni annuali di PM2,5, c’era un aumento del 13% del rischio per i primi ricoveri ospedalieri sia per il morbo di Parkinson e per il morbo di Alzheimer e demenze correlate.

Questo rischio è rimasto elevato anche al di sotto dei livelli presumibilmente sicuri di esposizione al PM2,5, che, secondo gli attuali standard della US Environmental Protection Agency, è una media annuale di 12 μg / m3 o meno.

Le donne, i bianchi e le popolazioni urbane erano particolarmente sensibili, ha rilevato lo studio.

Il rischio più elevato di ricoveri ospedalieri per la prima volta per la malattia di Parkinson era tra gli anziani negli Stati Uniti nord-orientali.

“Il nostro studio negli Stati Uniti mostra che gli standard attuali non proteggono abbastanza l’invecchiamento della popolazione americana, evidenziando la necessità di norme e politiche più rigorose che aiutino a ridurre ulteriormente le concentrazioni di PM2,5 e migliorare la qualità dell’aria in generale”, ha affermato Antonella Zanobetti, ricercatrice principale nel dipartimento di salute ambientale della Harvard Chan School e co-autore senior dello studio.


Il ruolo degli inquinanti ambientali come importante determinante della salute viene sempre più riconosciuto. Come recentemente sottolineato dalla Commissione Lancet su inquinamento e salute, l’inquinamento atmosferico è la principale causa ambientale di malattie e morte prematura [1].

In questo contesto, le malattie causate da tutte le forme di inquinamento ogni anno rappresentano il 16% dei decessi globali, rappresentando 15 volte più morti rispetto a tutte le guerre e altre forme di violenza, nonché tre volte di più rispetto a AIDS, tubercolosi e malaria messi insieme. Allo stesso modo, l’Organizzazione mondiale della sanità (OMS) conclude che 12,6 milioni di morti premature all’anno sono attribuibili ad ambienti malsani. 8,2 milioni di loro sono dovuti a malattie non trasmissibili, con i disturbi cardiovascolari (compreso l’ictus) che qui contribuiscono maggiormente al carico di salute, rappresentando quasi 5 milioni di questi decessi [2].

Tra tutti i fattori di stress ambientale, l’inquinamento atmosferico è il più importante fattore di rischio e l’inquinamento atmosferico esterno dovuto all’esposizione al particolato <2,5 µm (PM2,5) si colloca al quinto posto tra tutti i fattori di rischio per la salute globale nel 2015, portando a 4,2 milioni di morti ogni anno (figura 1) [3].

Ciò è ulteriormente supportato da dati recenti dell’OMS, che suggeriscono che 9 persone su 10 nel mondo respirano aria inquinata [4]. Di recente abbiamo utilizzato una nuova funzione di rapporto di rischio, la stima del Global Exposure-Mortality Model (GEMM), per calcolare 8,79 milioni di morti premature globali nel 2019 e 790.000 morti in eccesso all’anno in Europa solo a causa dell’esposizione all’inquinamento atmosferico (principalmente PM2 .5), indicando così che le stime di morte prematura stanno aumentando nel corso degli anni [5].

Tuttavia, oltre ad essere una delle principali cause del carico globale di malattie non trasmissibili, comprese malattie cardiovascolari, malattie respiratorie, malattie metaboliche e cancro, studi recenti hanno indicato gli effetti negativi degli inquinanti atmosferici, in particolare della frazione ultrafine di PM2,5, sul sistema nervoso centrale (SNC) e salute del cervello [1,6].

In questo contesto, le particelle ultrafini (<0,1 µm) possono traslocare dal sistema polmonare al SNC attraversando la barriera emato-encefalica (BBB) ​​e, infine, raggiungere il cervello, inducendo alterazioni fisiopatologiche nel SNC dovute alle caratteristiche fisiche del la particella stessa (superficie reattiva relativamente grande) o da composti tossici che sono legati alle particelle.

Questi meccanismi potrebbero contribuire allo sviluppo di disturbi cerebrovascolari e neurologici come ictus, demenza e morbo di Parkinson.

Prove crescenti suggeriscono che la neuroinfiammazione e lo stress ossidativo cerebrale siano fattori chiave nella relazione tra inquinamento atmosferico e disturbi cerebrovascolari e neurologici [7], guidati dalla maggiore produzione di mediatori proinfiammatori e specie reattive dell’ossigeno (ROS) in risposta all’esposizione agli inquinanti atmosferici [ 8,9].

Qui, forniamo una panoramica aggiornata dell’impatto degli inquinanti atmosferici sui disturbi cerebrovascolari, neurologici e mentali, insieme a informazioni fisiopatologiche da studi sull’uomo e sugli animali incentrati sulle vie dello stress infiammatorio e ossidativo.

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Figura 1
Fattori di rischio globali per decessi globali nel 1990 rispetto al 2015 delineati nel Global Burden of Disease Study (GDB). Riutilizzato da Münzel et al. [ 10 ] con permesso. Copyright © 2020, Oxford University Press.

Miscele e fonti di inquinamento atmosferico

L’inquinamento atmosferico è una miscela eterogenea di vari costituenti risultante dalla complessa interazione di più emissioni e reazioni chimiche.

Questa miscela comprende particelle solide e goccioline liquide sospese nell’aria, ovvero PM2,5, che possono includere carbonio organico (OC), carbonio elementare o nero (EC), nitrati, solfati e metalli (ad es. Ferro, vanadio, nichel , rame e manganese) così come i gas (ad esempio, ozono troposferico (O3), monossido di carbonio (CO), anidride solforosa (SO2), ossidi di azoto (NOx)) composti organici gassosi (ad esempio, organici volatili non metanici composti (COV), idrocarburi policiclici aromatici (IPA) e bifenili policlorurati (PCB)), endotossine batteriche (per lo più legate a particelle solide o aerosol liquidi) [11].

Nell’ambiente urbano, oltre il 90% della massa inquinante proviene da gas o composti in fase vapore, mentre le particelle derivate dalla combustione antropica sono di particolare interesse dal punto di vista della salute pubblica a causa della loro potenziale tossicità sistemica a causa di caratteristiche come l’elevato numero di particelle , elevato rapporto tra area superficiale e massa, potenziale di stress infiammatorio e ossidativo e componenti insolubili, che portano a una facile via aerea distale e alla penetrazione sistemica [11].

I tipi di particelle atmosferiche includono particelle grossolane con un diametro aerodinamico compreso tra 2,5 e 10 µm (PM10), particelle fini con un diametro inferiore a 2,5 µm (PM2.5) e particelle ultrafini con un diametro inferiore a 0,1 µm (PM0.1) , interconnesso con l’idea generale che le particelle più piccole possono essere più potenti nell’indurre effetti nocivi sulla salute rispetto alle particelle più grandi [10].

Esistono quattro tipi principali di fonti di inquinamento atmosferico con combustibili fossili e combustione di biomasse, e anche l’industria, l’agricoltura e le polveri portate dal vento sono fonti predominanti di polveri sottili nell’aria (Figura 2).

Inoltre, è importante notare che, oltre alle intensità di emissione correlate, ad esempio, alla quantità di carburante bruciato, al numero di animali in allevamento, ai livelli di produzione industriale e alle distanze percorse o dati di attività simili, l’inquinamento atmosferico è fortemente influenzato dal clima e condizioni meteorologiche [12].

Ad esempio, fattori come la direzione e la velocità del vento, la stabilità atmosferica e la radiazione solare sono determinanti importanti dello spazio (le particelle fini possono viaggiare a più di 100 km dal loro luogo di generazione) e la variazione temporale degli inquinanti atmosferici con alcuni dei più aggressivi di questi vengono generati durante i periodi caldi con un alto indice UV [12].

È interessante notare che l’inquinamento atmosferico e il cambiamento climatico si influenzano a vicenda attraverso complesse interazioni nell’atmosfera, che a loro volta influiscono sulla salute pubblica [13]. In questo contesto, livelli crescenti di inquinanti come solfato e O3 possono modificare l’equilibrio energetico dell’atmosfera e della superficie terrestre, portando a cambiamenti climatici che alterano lo stato fisico e chimico dell’atmosfera [14].

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figura 2
Esistono quattro tipi principali di fonti di inquinamento atmosferico, comprese le fonti naturali, di superficie, fisse e mobili che producono PM0.1, PM2.5, PM10, gas reattivi inclusi i composti organici volatili (COV). Gli inquinanti primari (i gas indicati e le particelle solide) possono subire un’ulteriore tossificazione nell’ambiente, ad esempio, mediante reazioni fotochimiche della luce UV che producono gas più reattivi o prodotti di carboidrati più tossici sulla superficie delle particelle (chiamato particella “invecchiamento”) [12] così come il caricamento delle particelle con metalli pesanti / di transizione e endotossine batteriche / fungine, portando a tossicità biologica secondaria [15,16,17]. La maggior parte delle particelle grossolane proviene dai sedimenti (sabbia del deserto) e dal polline delle piante. Modificato da Münzel et al. [18] con il permesso. Copyright 2020, Mary Ann Liebert, Inc., editori.

Fisiopatologia dei disturbi indotti dall’inquinamento atmosferico

Poiché i fattori di rischio cardiovascolare e le malattie sono innescati in larga misura dall’inquinamento atmosferico e hanno un impatto su un’elevata percentuale di decessi globali, p. Es., Inducendo malattie non trasmissibili, sono stati compiuti grandi sforzi per esplorare, comprendere e prevenire gli effetti cardiovascolari avversi di un’esposizione prolungata a Inquinanti dell’aria.

Sulla base del Global Exposure-Mortality Model (GEMM), abbiamo persino dimostrato che l’inquinamento atmosferico contribuisce in misura maggiore alla mortalità globale (8,79 milioni di morti in eccesso) rispetto a uno dei più importanti fattori di rischio per la salute, ovvero il fumo di tabacco (7,2 milioni morti in eccesso attribuite al fumo di tabacco secondo le stime dell’OMS [19]), con una perdita media di aspettativa di vita della popolazione di 2,9 contro 2,2 anni per l’inquinamento atmosferico rispetto al fumo di tabacco [20].

Di recente abbiamo esaminato gli effetti dei costituenti gassosi e solidi dell’inquinamento atmosferico con particolare attenzione all’effetto delle particelle fini sulla funzione endoteliale vascolare e sugli esiti cardiovascolari clinici, indicando che l’infiammazione vascolare e lo stress ossidativo sono denominatori comuni degli effetti cardiovascolari dell’inquinamento atmosferico [ 10].

La disfunzione endoteliale vascolare è considerata un evento chiave subclinico precoce nello sviluppo della pressione sanguigna disregolata e nella manifestazione della malattia cardiovascolare aterosclerotica, che non è solo dovuta ai fattori di rischio classici (fumo, colesterolo alto, diabete mellito e ipertensione) ma essere una conseguenza di rischi ambientali come l’inquinamento atmosferico [18,21].

Prove crescenti da studi sull’uomo e sugli animali suggeriscono che l’esposizione agli inquinanti dell’aria ambiente porta a uno stato patologico dell’endotelio vascolare caratterizzato da uno squilibrio tra la formazione e la degradazione dell’ossido nitrico (• NO) [10].

Poiché l’emivita e l’attività biologica di • NO come radicale libero è fortemente correlata all’esistenza di ROS come lo ione superossido, la riduzione e la diminuita attività di • NO nonché il danno fisico diretto alle cellule endoteliali dovuto allo squilibrio redox altera diverse funzioni cruciali di un endotelio intatto per mantenere i suoi effetti vasodilatatori, antitrombotici, antinfiammatori e antiossidanti.

Pertanto, i persistenti danni fisiologici derivanti dall’esposizione a lungo termine all’inquinamento atmosferico possono portare alla formazione di placche aterosclerotiche e, nel tempo, successivamente a vari fenotipi di malattie cerebro / cardiovascolari quali ictus, ipertensione arteriosa, malattia coronarica, infarto miocardico, insufficienza cardiaca e aritmia [22].

Allo stesso modo, le prove emergenti da studi sull’uomo e sugli animali suggeriscono un aumento del rischio di disturbi cerebrovascolari e neuropsichiatrici con esposizione prolungata agli inquinanti atmosferici che influenzano il sistema nervoso centrale da una varietà di percorsi dello stress cellulare, molecolare, infiammatorio e ossidativo. Tuttavia, la comprensione dei meccanismi sottostanti rimane ancora incompleta e sono molto probabili interazioni complesse con altri fattori di rischio e stile di vita.

Una conoscenza più approfondita di queste associazioni è di grande importanza e dovrebbe ricevere maggiore attenzione, poiché i disturbi neurologici, cerebrovascolari e mentali sono tra le principali cause di anni di vita aggiustati per disabilità e di morti globali con il 30% di tutti gli ictus correlati all’inquinamento atmosferico [23] .

Ci sono due possibili modi in cui gli inquinanti atmosferici entrano nel sistema nervoso centrale, o attraverso il trasporto diretto di particelle nel sistema nervoso centrale o tramite infiammazione sistemica al reclutamento iniziale di cellule immunitarie nel tessuto polmonare [24]. In questo caso, l’inalazione nasale e il flusso d’aria costituiscono una via di accesso diretto nell’uomo con la regione olfattiva che è unica nel SNC a causa del suo contatto diretto con l’aria ambientale.

Le particelle più piccole possono attraversare la barriera naso-encefalica e raggiungere il cervello tramite i neuroni del recettore olfattivo o il nervo trigemino, che possono quindi viaggiare attraverso il SNC e raggiungere altre regioni del cervello. D’altra parte, le particelle possono entrare nella circolazione attraverso i polmoni attraverso la respirazione e raggiungere la regione alveolare.

A questo punto, possono traslocare nella circolazione sistemica attraverso un processo di transizione (nanoparticelle probabilmente direttamente, microparticelle molto probabilmente tramite assorbimento da parte delle cellule fagocitiche e la loro trasmigrazione dal tessuto polmonare alla circolazione) [25] e successivamente attraverso il BBB al cervello parenchima mediante semplice diffusione o trasporto attivo dipendente dall’energia.

Una volta nell’organismo, gli effetti negativi delle polveri sottili sul cervello dipendono principalmente da tre meccanismi [26]. In primo luogo, possono indurre il rilascio di mediatori proinfiammatori che portano a infiammazione respiratoria e sistemica cronica [27], influenzando così il BBB e, infine, innescando interazioni neurale-immunitarie e con conseguente aumento della produzione di ROS e stress ossidativo cronico che contribuisce a un fenotipo di Alzheimer negli esposti bambini [28].

In secondo luogo, le particelle possono danneggiare il BBB attraverso la formazione diretta di ROS e quindi alterare la permeabilità della barriera [29,30]. Terzo, ci può essere stimolazione meccanica di specifici meccano-recettori nel tessuto polmonare che porta al riflesso dell’arco polmonare [31,32] e attivazione simpatica con il rilascio di vasocostrittori come le catecolamine [33].

Presi insieme, questi meccanismi sono centrali nel promuovere l’infiammazione cerebrale, la disfunzione neuronale e la neuropatologia (Figura 3) (rivista in [34,35,36,37]).

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Figura 3
Riepilogo dei meccanismi fisiopatologici mediante i quali gli inquinanti atmosferici causano un aumento dello stress ossidativo e dell’infiammazione, contribuendo così a disturbi cerebrovascolari, neurologici, mentali e cardiorespiratori. (A) Assorbimento ed effetti sulla salute cardiorespiratori innescati dai componenti dell’inquinamento atmosferico. (B) Eventi chiave che contribuiscono alle componenti neurologiche e mentali dell’inquinamento atmosferico. Le particelle di PM ambientale sono spesso caricate con tossine ambientali derivanti dall ‘”invecchiamento” delle particelle da fotoreazioni o modificazioni indotte dai raggi UV per interazione con i gas reattivi nell’atmosfera [12]. Inoltre, il caricamento delle particelle con endotossine ambientali e metalli pesanti aumenta la loro reattività biochimica diretta [15,16,17]. Riassunto da Münzel et al. 10 e Daiber et al.38 con autorizzazione. Copyright © 2020, Oxford University Press (A) e © 2020 International Union of Biochemistry and Molecular Biology (B). SNS, sistema nervoso simpatico; UF, ultrafine.
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Figura 5
Concetto proposto come i componenti dell’inquinamento atmosferico contribuiscono ai disturbi neurologici e mentali. Assorbimento di particolato fine, gas reattivi o tossine ambientali secondarie (legate alle particelle di aerosol solide o liquide) come metalli pesanti, endotossine o prodotti di fotoreazione / chimica atmosferica (p. Es., Aldeidi reattive, COV nitrati) attraverso tre vie principali (indirette o diretto). La neuroinfiammazione e lo stress ossidativo cerebrale causato dall’attivazione della microglia alterano le vie vitali del cervello avviando processi fisiopatologici come la deposizione di amiloide e il danno e la perdita dei neuroni. BBB, barriera emato-encefalica; iNOS, ossido nitrico sintasi inducibile; TNFα, fattore di necrosi tumorale alfa; IL-1β, interleuchina 1beta; COX-2, cicloossigenasi 2 (inducibile); NFκB, fattore nucleare “potenziatore della catena leggera kappa” delle cellule B attivate; NOX-2, NADPH ossidasi isoform 2 (NADPH ossidasi fagocitica); oxLDL, lipoproteine ​​ossidate a bassa densità; 4-HNE, 4-idrossinonenale; 8-oxoG, 8-idrossiguanosina; Aβ, beta peptide amiloide.

link di riferimento: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7352229/


Ulteriori informazioni: “Effetti a lungo termine del PM2.5 sui disturbi neurologici nella popolazione americana Medicare: uno studio di coorte longitudinale”, Liuhua Shi, Xiao Wu, Mahdieh Danesh Yazdi, Danielle Braun, Yara Abu Awad, Yaguang Wei, Pengfei Liu, Qian Di, Yun Wang, Joel Schwartz, Francesca Dominici, Marianthi-Anna Kioumourtzoglou, Antonella Zanobetti, The Lancet Planetary Health, online 19 ottobre 2020, doi: doi.org/10.1016/S2542-5196(20)30227-8

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