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

Valutazione del rischio ecologico e sviluppo di strategie innovative per il monitoraggio della qualita’ dei corpi idrici: applicazione di un nuovo approccio integrato in un bacino pilota.

Freshwater is extremely precious; but even more precious than freshwater is clean freshwater. From the time that 2/3 of our planet is covered in water, we have contaminated our globe with chemicals that have been used by industrial activities over the last century in a unprecedented way causing harm to humans and wildlife. We have to adopt a new scientific mindset in order to face this problem so to protect this important resource. The Water Framework Directive (European Parliament and the Council, 2000) is a milestone legislative document that transformed the way that water quality monitoring is undertaken across all Member States by introducing the Ecological and Chemical Status. A “good or higher” Ecological Status is expected to be achieved for all waterbodies in Europe by 2015. Yet, most of the European waterbodies, which are determined to be at risk, or of moderate to bad quality, further information will be required so that adequate remediation strategies can be implemented. To date, water quality evaluation is based on five biological components (phytoplankton, macrophytes and benthic algae, macroinvertebrates and fishes) and various hydromorphological and physicochemical elements. The evaluation of the chemical status is principally based on 33 priority substances and on 12 xenobiotics, considered as dangerous for the environment. This approach takes into account only a part of the numerous xenobiotics that can be present in surface waters and could not evidence all the possible causes of ecotoxicological stress that can act in a water section. The mixtures of toxic chemicals may constitute an ecological risk not predictable on the basis of the single component concentration. To improve water quality, sources of contamination and causes of ecological alterations need to be identified. On the other hand, the analysis of the community structure, which is the result of multiple processes, including hydrological constrains and physico-chemical stress, give back only a “photograph” of the actual status of a site without revealing causes and sources of the perturbation. A multidisciplinary approach, able to integrate the information obtained by different methods, such as community structure analysis and eco-genotoxicological studies, could help overcome some of the difficulties in properly identifying the different causes of stress in risk assessment. In synthesis, the river ecological status is the result of a combination of multiple pressures that, for management purposes and quality improvement, have to be disentangled from each other. To reduce actual uncertainty in risk assessment, methods that establish quantitative links between levels of contamination and community alterations are needed. The analysis of macrobenthic invertebrate community structure has been widely used to identify sites subjected to perturbation. Trait-based descriptors of community structure constitute a useful method in ecological risk assessment. The diagnostic capacity of freshwater biomonitoring could be improved by chronic sublethal toxicity testing of water and sediment samples. Requiring an exposure time that covers most of the species’ life cycle, chronic toxicity tests are able to reveal negative effects on life-history traits at contaminant concentrations well below the acute toxicity level. Furthermore, the responses of high-level endpoints (growth, fecundity, mortality) can be integrated in order to evaluate the impact on population’s dynamics, a highly relevant endpoint from the ecological point of view. To gain more accurate information about potential causes and consequences of environmental contamination, the evaluation of adverse effects at physiological, biochemical and genetic level is also needed. The use of different biomarkers and toxicity tests can give information about the sub-lethal and toxic load of environmental compartments. Biomarkers give essential information about the exposure to toxicants, such as endocrine disruptor compounds and genotoxic substances whose negative effects cannot be evidenced by using only high-level toxicological endpoints. The increasing presence of genotoxic pollutants in the environment has caused concern regarding the potential harmful effects of xenobiotics on human health, and interest on the development of new and more sensitive methods for the assessment of mutagenic and cancerogenic risk. Within the WFD, biomarkers and bioassays are regarded as important tools to gain lines of evidence for cause-effect relationship in ecological quality assessment. Despite the scientific community clearly addresses the advantages and necessity of an ecotoxicological approach within the ecological quality assessment, a recent review reports that, more than one decade after the publication of the WFD, only few studies have attempted to integrate ecological water status assessment and biological methods (namely biomarkers or bioassays). None of the fifteen reviewed studies included both biomarkers and bioassays. The integrated approach developed in this PhD Thesis comprises a set of laboratory bioassays (Daphnia magna acute and chronic toxicity tests, Comet Assay and FPG-Comet) newly-developed, modified tacking a cue from standardized existing protocols or applied for freshwater quality testing (ecotoxicological, genotoxicological and toxicogenomic assays), coupled with field investigations on macrobenthic community structures (SPEAR and EBI indexes). Together with the development of new bioassays with Daphnia magna, the feasibility of eco-genotoxicological testing of freshwater and sediment quality with Heterocypris incongruens was evaluated (Comet Assay and a protocol for chronic toxicity). However, the Comet Assay, although standardized, was not applied to freshwater samples due to the lack of sensitivity of this species observed after 24h of exposure to relatively high (and not environmentally relevant) concentrations of reference genotoxicants. Furthermore, this species demonstrated to be unsuitable also for chronic toxicity testing due to the difficult evaluation of fecundity as sub-lethal endpoint of exposure and complications due to its biology and behaviour. The study was applied to a pilot hydrographic sub-Basin, by selecting section subjected to different levels of anthropogenic pressure: this allowed us to establish the reference conditions, to select the most significant endpoints and to evaluate the coherence of the responses of the different lines of evidence (alteration of community structure, eco-genotoxicological responses, alteration of gene expression profiles) and, finally, the diagnostic capacity of the monitoring strategy. Significant correlations were found between the genotoxicological parameter Tail Intensity % (TI%) and macrobenthic community descriptors SPEAR (p<0.001) and EBI (p<0.05), between the genotoxicological parameter describing DNA oxidative stress (ΔTI%) and mean levels of nitrates (p<0.01) and between reproductive impairment (Failed Development % from D. magna chronic bioassays) and TI% (p<0.001) as well as EBI (p<0.001). While correlation among parameters demonstrates a general coherence in the response to increasing impacts, the concomitant ability of each single endpoint to be responsive to specific sources of stress is at the basis of the diagnostic capacity of the integrated approach as demonstrated by stations presenting a mismatch among the different lines of evidence. The chosen set of bioassays, as well as the selected endpoints, are not providing redundant indications on the water quality status but, on the contrary, are contributing with complementary pieces of information about the several stressors that insist simultaneously on a waterbody section providing this monitoring strategy with a solid diagnostic capacity. Our approach should provide opportunities for the integration of biological effects into monitoring programmes for surface water, especially in investigative monitoring. Moreover, it should provide a more realistic assessment of impact and exposure of aquatic organisms to contaminants. Finally this approach should provide an evaluation of drivers of change in biodiversity and its causalities on ecosystem function/services provision, that is the direct and indirect contributions to human well-being.