Structural and cellular characterization of Idiopathic Pulmonary Fibrosis

La Fibrosi Polmonare Idiopatica (IPF) è una malattia polmonare cronica, irreversibile la cui eziologia risulta essere ignota, caratterizzata da un processo fibrotico progressivo che inizia nel tratto respiratorio inferiore. Le persone affette da IPF presentano età media compresa tra 55 e 77 anni. L’incidenza annuale di IPF è stata recentemente stimata tra 14 e 42,7 casi per 100.000 persone e tale dato risulta essere in aumento. IPF fa parte delle malattie Polmonari Idiopatiche Interstiziali (IIP) che comprendono patologie con quadri istologici e clinici differenti. Le affezioni su cui si concentrerà questo studio sono: UIP (Usual Interstitial Pneumonia) caratterizzata da fibrosi interstiziale e dalla presenza di foci fibrotici connessi alla pleura e corrispondente al quadro anatomopatologico della maggior parte dei casi di IPF; NSIP (Non Specific Interstitial Pneumonia) simile alla UIP ma con maggiore uniformità temporale e spaziale delle manifestazioni; Sarcoidosi, malattia granulomatosa ad eziologia ignota. Attualmente la gravità della IPF, che implica una mortalità del 50% dei pazienti a 5 anni dall’esordio, e la scarsa efficacia farmacologica nel rallentarne la progressione vedono il trapianto polmonare come unica possibilità di sopravvivenza nelle forme più severe. Al momento non è chiaro il meccanismo patogenetico di insorgenza e progressione della IPF anche se sono stati individuati alcuni fattori scatenanti quali fumo di sigaretta, infezioni respiratorie e inquinanti atmosferici; tuttavia nessuno di tali elementi può da solo determinare un così esteso e progressivo rimodellamento del parenchima polmonare. Numerose sono le evidenze di come il substrato genetico, le alterazioni del rapporto morte/proliferazione cellulare e le citochine svolgano un ruolo nella genesi e nella progressione della malattia, ma non sono ancora chiari i fenomeni biologico-cellulari che la sostengono e, quindi, quali siano i punti di attacco per poter incidere terapeuticamente nel modificare l’evoluzione della IPF. Poiché il nostro laboratorio ha partecipato alla scoperta dell’esistenza di cellule staminali nel polmone umano normale, uno degli obiettivi finali di questo progetto si basa sull’ipotesi che un’alterazione del compartimento staminale svolga un ruolo cruciale nella eziopatogenesi di IPF. Per questo in precedenti esperienze abbiamo cercato di identificare nella IPF cellule che esprimessero antigeni associati a staminalità quali c-kit, CD34 e CD133. Questo lavoro di tesi si è proposto di condurre un’indagine morfometrica ed immunoistochimica su biopsie polmonari provenienti da 9 pazienti affetti da UIP, 3 da NSIP e 5 da Sarcoidosi al fine di valutare le alterazioni strutturali principali imputabili alle patologie. Preparati istologici di 8 polmoni di controllo sono stati usati come confronto. Come atteso, è stato osservato nelle tre patologie esaminate (UIP, NSIP e Sarcoidosi) un significativo incremento nella sostituzione del parenchima polmonare con tessuto fibrotico ed un ispessimento dei setti alveolari rispetto ai campioni di controllo. L’analisi dei diversi pattern di fibrosi presenti fa emergere come vi sia una netta differenza tra le patologie con una maggiore presenza di fibrosi di tipo riparativo e quindi altamente cellulata nei casi di UIP, e NSIP mentre nelle Sarcoidosi il pattern maggiormente rappresentato è risultato essere quello della fibrosi replacement o sostitutiva. La quantificazione delle strutture vascolari è stata effettuata tenendo separate le aree di polmone alveolare rispetto a quelle occupate da focolai sostitutivi di danno (componente fibrotica). Nei campioni patologici analizzati era presente un significativo riarrangiamento di capillari, arteriole e venule rispetto al polmone di controllo, fenomeno principalmente riscontrato nel parenchima fibrotico. Tali modifiche erano maggiormente presenti nei casi di NSIP da noi analizzati. Inoltre le arteriole subivano una diminuzione di calibro ed un aumento dello spessore in special modo nei polmoni ottenuti da pazienti affetti da Sarcoidosi. Rispetto ai controlli, nella UIP e nella Sarcoidosi i vasi linfatici risultavano inalterati nell’area alveolare mentre aumentavano nelle aree di estesa fibrosi; quadro differente si osservava nella NSIP dove le strutture linfatiche aumentavano in entrambe le componenti strutturali. Mediante indagini immunoistochimiche è stata documentata la presenza e distribuzione dei miofibroblasti, positivi per actina muscolare liscia e vimentina, che rappresentano un importante componente del danno tissutale nella IPF. La quantificazione di questo particolare fenotipo è attualmente in corso. Abbiamo inoltre analizzato tramite immunoistochimica la componente immunitaria presente nei campioni polmonari attraverso la documentazione dei linfociti T totali che esprimono CD3, andando poi a identificare la sottopopolazione di T citotossici esprimenti la glicoproteina CD8. La popolazione linfocitaria CD3pos risultava notevolmente aumentata nelle tre patologie analizzate soprattutto nei casi di UIP e Sarcoidosi sebbene l`analisi della loro distribuzione tra i vari distretti tissutali risultasse differente. Risultati simili si sono ottenuti per l`analisi dei linfociti CD8pos. La componente monocito-macrofagica è stata invece identificata tramite la glicoproteina CD68 che ha messo in evidenza una maggiore presenza di cellule positive nella Sarcoidosi e nella UIP rispetto ai casi di NSIP. I dati preliminari di questo studio indicano che il rimodellamento strutturale emo-linfatico e cellulare infiammatorio nella UIP si differenziano rispetto alle altre malattie interstiziali del polmone, avanzando l’ipotesi che il microambiente vascolare ed immunitario giochino un ruolo importante nella patogenesi della malattia

Determinants of biological activity of nanomaterials in innate immunity cells: the role of aspect ratio, environmental contaminants and protein corona

As defined by the European Union, “ ’Nanomaterial’ (NM) means a natural, incidental or manufactured material containing particles, in an unbound state or as an aggregate or agglomerate, where, for 50 % or more of the particles in the number size distribution, one or more external dimensions is in the size range 1 nm-100 nm ” (2011/696/UE). Given their peculiar physico-chemical features, nanostructured materials are largely used in many industrial fields (e.g. cosmetics, electronics, agriculture, biomedical) and their applications have astonishingly increased in the last fifteen years. Nanostructured materials are endowed with very large specific surface area that, besides making them very useful in many industrial processes, renders them very reactive towards the biological systems and, hence, potentially endowed with significant hazard for human health. For these reasons, in recent years, many studies have been focused on the identification of toxic properties of nanostructured materials, investigating, in particular, the mechanisms behind their toxic effects as well as their determinants of toxicity. This thesis investigates two types of nanostructured TiO2 materials, TiO2 nanoparticles (NP), which are yearly produced in tonnage quantities, and TiO2 nanofibres (NF), a relatively novel nanomaterial. Moreover, several preparations of MultiWalled Carbon Nanotubes (MWCNT), another nanomaterial widely present in many products, are also investigated.- Although many in vitro and in vivo studies have characterized the toxic properties of these materials, the identification of their determinants of toxicity is still incomplete. The aim of this thesis is to identify the structural determinants of toxicity, using several in vitro models. Specific fields of investigation have been a) the role of shape and the aspect ratio in the determination of biological effects of TiO2 nanofibres of different length; b) the synergistic effect of LPS and TiO2 NP on the expression of inflammatory markers and the role played therein by TLR-4; c) the role of functionalization and agglomeration in the biological effects of MWCNT. As far as biological effects elicited by TiO2 NF are concerned, the first part of the thesis demonstrates that long TiO2 nanofibres caused frustrated phagocytosis, cytotoxicity, hemolysis, oxidative stress and epithelial barrier perturbation. All these effects were mitigated by fibre shortening through ball-milling. However, short TiO2 NF exhibited enhanced ability to activate acute pro-inflammatory effects in macrophages, an effect dependent on phagocytosis. Therefore, aspect ratio reduction mitigated toxic effects, while enhanced macrophage activation, likely rendering the NF more prone to phagocytosis. These results suggest that, under in vivo conditions, short NF will be associated with acute inflammatory reaction, but will undergo a relatively rapid clearance, while long NF, although associated with a relatively smaller acute activation of innate immunity cells, are not expected to be removed efficiently and, therefore, may be associated to chronic inflammatory responses. As far as the relationship between the effects of TiO2 NP and LPS, investigated in the second part of the thesis, are concerned, TiO2 NP markedly enhanced macrophage activation by LPS through a TLR-4-dependent intracellular pathway. The adsorption of LPS onto the surface of TiO2 NP led to the formation of a specific bio-corona, suggesting that, when bound to TiO2 NP, LPS exerts a much more powerful pro-inflammatory effect. These data suggest that the inflammatory changes observed upon exposure to TiO2 NP may be due, at least in part, to their capability to bind LPS and, possibly, other TLR agonists, thus enhancing their biological activities. Finally, the last part of the thesis demonstrates that surface functionalization of MWCNT with amino or carboxylic groups mitigates the toxic effects of MWCNT in terms of macrophage activation and capability to perturb epithelial barriers. Interestingly, surface chemistry (in particular surface charge) influenced the protein adsorption onto the MWCNT surface, allowing to the formation of different protein coronae and the tendency to form agglomerates of different size. In particular functionalization a) changed the amount and the type of proteins adsorbed to MWCNT and b) enhanced the tendency of MWCNT to form large agglomerates. These data suggest that the different biological behavior of functionalized and pristine MWCNT may be due, at least in part, to the different tendency to form large agglomerates, which is significantly influenced by their different capability to interact with proteins contained in biological fluids. All together, these data demonstrate that the interaction between physico-chemical properties of nanostructured materials and the environment (cells + biological fluids) in which these materials are present is of pivotal importance for the understanding of the biological effects of NM. In particular, bio-persistence and the capability to elicit an effective inflammatory response are attributable to the interaction between NM and macrophages. However, the interaction NM-cells is heavily influenced by the formation at the nano-bio interface of specific bio-coronae that confer a novel biological identity to the nanostructured materials, setting the basis for their specific biological activities.