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

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.

Advances in (poly)phenol research: novel sources, bioavailability, bioaccumulation and bioactivity

In the last decades, increasing scientific evidence has correlated the regular consumption of (poly)phenol-rich foods to a potential reduction of chronic disease incidence and mortality. However, epidemiological evidence on the role of (poly)phenol intake against the risk of some chronic diseases is promising, but not conclusive. In this framework a proper approach to (poly)phenol research is requested, using a step by step strategy. The plant kingdom produces an overwhelming array of structurally diverse secondary metabolites, among which flavonoids and related phenolic and (poly)phenolic compounds constitute one of the most numerous and widely distributed group of natural products. To date, more than 8000 structures have been classified as members of the phytochemical class of (poly)phenol, and among them over 4000 flavonoids have been identified. For this reason, a detailed food (poly)phenolic characterization is essential to identify the compounds that will likely enter the human body upon consumption, to predict the metabolites that will be generated and to unravel the potential effects of phenolic rich food sources on human health. In the first part of this work the attention was focused on the phenolic characterization of fruit and vegetable supplements, considering the increasing attention recently addressed to the so called "nutraceuticals", and on the main coffee industry by-product, namely coffee silverskin. The interest oriented toward (poly)phenols is then extended to their metabolism within the human body, paramount in the framework of their putative health promoting effects. Like all nutrients and non-nutrients, once introduced through the diet, (poly)phenols are subjected to an intense metabolism, able to convert the native compounds into similar conjugated, as well as smaller and deeply modified molecules, which in turn could be further conjugated. Although great strides have been made in the last decades, some steps of the (poly)phenol metabolism remain unclear and are interesting points of research. In the second part of this work the research was focused on a specific bran fraction, namely aleurone, added in feed pellets and in bread to investigate the absorption, metabolism and bioavailability of its phenolic compounds in animal and humans, with a preliminary in vitro step to determine their potential bioaccesibility. This part outlines the best approaches to assess the bioavailability of specific phenolics in several experimental models. The physiological mechanisms explaining the epidemiological and observational data on phenolics and health, are still far from being unraveled or understood in full. Many published results on phenolic actions at cell levels are biased by the fact that aglycones or native compounds have been used, not considering the previously mentioned chemical and biological transformations. In the last part of this thesis work, a new approach in (poly)phenol bioactivity investigation is proposed, consisting of a medium-long term treatment of animals with a (poly)phenol source, in this specific case resveratrol, the detection of its metabolites to determine their possible specific tissue accumulation, and the evaluation of specific parameters and/or mechanism of action at target tissue level. To conclude, this PhD work has contributed to advancing the field, as novel sources of (poly)phenols have been described, the bioavailability of (poly)phenols contained in a novel specific bran fraction used as ingredient has been evaluated in animal and in humans, and, finally, the tissue accumulation of specific (poly)phenol metabolites and the evaluation of specific parameters and/or mechanism of action has been carried out. For these reasons, this PhD work should be considered an example of adequate approach to the investigation of (poly)phenols and of their bioactivity, unavoidable in the process of unequivocally defining their effects on human health.