Mortalità e incidenza di tumore in una coorte di lavoratori esposti ad asbesto nel settore della navalmeccanica. Confronti esterni, interni e caso-controllo nested

Obiettivi. Lo scopo di questo studio è di confrontare la mortalità e l’incidenza per tutte le cause, tutti i tumori, tumori specifici e per le cause non neoplastiche, in una coorte dei lavoratori impiegati nel cantiere navale di Monfalcone (GO) tra il 1974 e il 1994, con quella della popolazione generale della regione FVG e d’Italia. L’obiettivo è eseguire tali confronti considerando il livello di esposizione ad amianto, la durata di esposizione (in anni) precedente al 1985, il periodo di prima assunzione, quali principali indicatori di esposizione occupazionale ad asbesto. Obiettivo secondario è quello di contribuire alla conoscenza circa la correlazione tra esposizione ad asbesto e l’incidenza di tumori nelle principali sedi digestive. Metodi. Tramite metodo indiretto sono stati calcolati SIR (periodo 1995-2009) e SMR (periodo 1995-2012) per tumore maligno della pleura, tumore di trachea bronchi e polmone, per tutti i tumori e per malattie non neoplastiche. È stato condotto uno studio caso- controllo nested per la stima degli gli ORs rispettivamente per tumore maligno della pleura e del polmone. Sono stati applicati modelli di Poisson per la stima degli IRRs riguardanti le principali sedi digestive, utilizzando quali variabili esplicative: a) il rischio di esposizione ad asbesto legato alla mansione e b) il numero di anni di esposizione precedenti al 1985. Risultati. Nell’intera coorte (5582 uomini) gli SMR indicavano un eccesso di mortalità per tumore maligno della pleura incrementato rispettivamente di circa 7 volte (SMR= 7,03; IC95% 5,61-8,79) e di poco più di 14 volte (SMR= 14,20; IC95% 11,33-17,75) rispettivamente quando il confronto è stato fatto con la popolazione standard del FVG e dell’Italia. L’aumento della mortalità per tumore maligno della pleura risulta fortemente aumentato in tutte le stratificazioni. Gli SMR per il tumore di trachea, bronchi e polmone sono risultati essere prossimi all'unità quando le analisi sono state eseguite nell’intera coorte, mentre risultano aumentati in modo significativo rispetto alla popolazione generale quando calcolati nei soggetti a rischio medio e assunti presso i cantieri navali di Monfalcone prima del 1974 (SMR= 1,38 95%CI 1,00-1,85) e nei soggetti classificati a rischio medio e assunti nel periodo 1985-1994 (SMR= 4,88 95%CI 1,00-14,25). Analogamente, nell’intera coorte, i SIR per tumore maligno della pleura calcolati nell’intera coorte erano aumentati di oltre 7 volte (SIR= 7,65; IC95% 6,19-9,49), mentre l’incidenza del tumore di trachea bronchi e polmone non vede incrementi rispetto alla popolazione di riferimento. Coloro che hanno avuto una durata di esposizione maggiore di 30 anni prima del 1985 dimostrano un aumento dell’incidenza di tumore di trachea, bronchi e polmone (SIR=1,34 IC95% 1,00-1,77), statisticamente significativo, così come per coloro che son stati classificati a rischio medio di esposizione e assunti precedentemente al 1974 (SIR=1,46 IC95% 1,06-1,95) e per coloro che sono stati classificati ad alto rischio e assunti nel periodo 1985-1994 (SIR=5,68 IC95% 1,17-16,60). Nell’intera coorte si registra un significativo aumento di incidenza di tumore dello stomaco in coloro classificati a alto rischio (SIR= 1,47 IC95% 1,05-2,00), mentre l’incidenza di tumore del pancreas vede un incremento dell’incidenza in coloro classificati a medio rischio di esposizione ad asbesto (SIR= 2,21 IC95% 1,21-3,72). Il sottogruppo le cui informazioni risultavano mancanti mostrano un incremento del SIR, borderline ma non significativo, per tumore del colon-retto (SIR= 1,29 IC95% 0,94-1,73). Emerge un significativo aumento dell’incidenza del tumore dello stomaco in coloro con un periodo di esposizione precedente al 1985 compreso tra 10 e 20 anni (SIR= 1,71 IC95% 1,12-2,49). Anche i SIR per il tumore del pancreas vedono un incremento statisticamente significativo in coloro che hanno una durata di esposizione precedente al 1985 inferiore a 10 anni e maggiore di 30: rispettivamente i SIR sono stati di 2,23 (IC95% 1,07-4,10) e 2,57 (IC95% 1,53-4,07). I risultati relativi ai confronti interni non mostrano significatività statistica. Conclusioni. I risultati indicano che nella coorte degli uomini ex- lavoratori dei cantieri navali di Monfalcone vi era un incremento forte e statisticamente significativo della mortalità e dell’incidenza di tumore maligno della pleura rispetto sia alla popolazione generale del FVG sia a quella dell’Italia. Eccessi di mortalità ed incidenza sono stati rilevati talvolta anche per il tumore di trachea, bronchi e polmone, quando le analisi sono state condotte stratificando la coorte in gruppi omogenei di rischio. Il più elevato eccesso rispetto all’atteso sia della mortalità per tumore maligno della pleura e del tumore del polmone, che dell’incidenza, si osservava nei lavoratori con mansioni a rischio medio, seguito dal gruppo con mansioni a rischio elevato. I Risultati riguardanti l’incidenza dei tumori delle principali sedi digestive ha visto nell’intera coorte un aumento significativo dei SIR per tumore dello stomaco e del pancreas, anche quando condotti per sottogruppi. Tuttavia le stime relative agli outcome diversi dal tumore maligno della pleura e del tumore del polmone devono essere interpretate con cautela. Le associazioni positive riscontrate tramite confronti interni non presentano significatività statistica.

Biomarcatori per il monitoraggio biologico di soggetti esposti ad agenti cancerogeni per il polmone

Riassunto I biomarcatori o “marcatori biologici” svolgono un ruolo fondamentale nel monitoraggio biologico. In questo lavoro ci siamo soffermati sullo studio di biomarcatori di effetto e di esposizione a xenobiotici ambientali. Nel primo caso abbiamo valutato i micro RNA (miRNA) da utilizzare per la diagnosi precoce del tumore al polmone in matrici di facile accesso, quale il CAE e il plasma, utilizzando il miRNA-21, oncogeno, e il miRNA-486, oncosoppressore. I risultati evidenziano una loro capacità di distinguere correttamente i soggetti con tumore polmonare dai soggetti sani, ipotizzando un loro utilizzo a scopo diagnostico. Nella seconda parte del lavoro di tesi sono stati studiati i biomarcatori di esposizione a benzene per valutare gli effetti dell’esposizione a concentrazioni ambientali su bambini residenti in città e a diverso livello di urbanizzazione. Lo studio ha evidenziato una correlazione dose-effetto fra le concentrazioni di benzene e dei suoi metaboliti urinari e un danno ossidativo a livello degli acidi nucleici. Tuttavia, le concentrazioni di benzene urinario non sono influenzate dal grado di industrializzazione, a differenza dell’S-PMA e degli indicatori di stress ossidativo (8-oxodGuo e 8-oxoGuo) che sembrano risentire sia della residenza che del momento del campionamento. Infine abbiamo ricercato possibili biomarcatori di esposizione a vinilcicloesene (VCH), sottoprodotto industriale nella polimerizzazione del 1,3-butadiene, poiché non sono ancora stati proposti BEI di riferimento nonostante i bassi valori di TLV-TWA (0.1 ppm) proposti dall’ACGIH. Nella prima fase del lavoro abbiamo studiato i meccanismi di tossicità del VCH tramite modelli in vitro, testando varie linee cellulari. I risultati evidenziano come la dose reale di VCH sia di molto inferiore a quella nominale per effetto dell’evaporazione. Inoltre, nelle linee cellulari più sensibili si sono evidenziati effetti citostatici, con alterazioni del ciclo cellulare, a differenza dell’esposizione agli epossidi del VCH, il VCD e l’1,2-VCHME, che determinano lisi cellulare con IC50 di 3 ordini di grandezza inferiori a quelli del VCH. La quantificazione dei metaboliti di I fase e di II fase del VCH nelle linee cellulari epatiche ha evidenziato concentrazioni di circa 1000 volte inferiori a quelle del VCH confermando come la sua tossicità sia principalmente dovuta alla produzione degli intermedi epossidici. La trasformazione nei metaboliti di II fase conferma inoltre l’effetto detossificante del metabolismo. La trasferibilità dei risultati ottenuti in vitro su sistemi in vivo fornirà le basi per poter identificare possibili metaboliti da proporre per il monitoraggio biologico di lavoratori esposti a VCH. PAROLE CHIAVE: biomarcatori di effetto e di esposizione, tumore al polmone, miRNA, benzene, vinilcicloesene.

Interazioni piante - insetti: ruolo delle formiche in un sistema multitrofico. Aspetti ecoetologici ed applicativi

Le formiche svolgono un importante ruolo all’interno degli ecosistemi ed alcune specie sono considerate keystone in quanto in grado di modificare la componente biotica e/o abiotica dell’ecosistema stesso. Sono animali ubiquitari che hanno colonizzato molteplici ambienti, compresi gli agroecosistemi. Negli agroecosistemi spesso svolgono un ruolo impattante determinando la diffusione o il regresso di specie di artropodi, alcune delle quali dannose alle colture. La presente ricerca tiene conto di un’ampia visione dei rapporti ecoetologici intercorrenti tra le formiche e la componente biotica di un ecosistema, utilizzando il concetto di rete multitrofica. In quest’ottica, si è pensato di costruire un sistema multitrofico costituito da una specie vegetale di interesse agrario (Cucumis sativus), dai suoi fitofagi naturali, divisi in fitomizi (afidi) (Aphis gossypii e Myzus persicae) e fitofagi masticatori (bruchi del lepidottero Mamestra brassicae), formiche (Formica pratensis) e predatori afidofagi (Aphidolets aphidimyza). Il sistema multitrofico è stato utilizzato sia per studiare l’aggressività delle formiche, sia per verificare l’esistenza di una comunicazione interspecifica tra le formiche e le piante (allelochimici). Gli studi sull’aggressività sono consistiti nel: • Verificare il livello di aggressività delle formiche nei confronti di un fitofago masticatore, competitore degli afidi nello sfruttare la pianta ospite. • Verificare se la presenza di afidi mutualisti fa variare il livello di aggressività delle formiche verso il competitore. • Verificare se esiste aggressività verso un predatore di afidi, i quali, secondo il paradigma della trofobiosi, dovrebbero essere difesi dalle formiche in cambio della melata. • Verificare se il predatore ha evoluto strategie volte ad eludere il controllo delle formiche sugli insetti che si approcciano alla colonia di afidi. Gli studi sui rapporti piante-formiche sono stati effettuati mediante olfattometro, osservando la risposta delle formiche alle sostanze volatili provenienti da piante infestate in modo differente con i fitofagi del sistema. Attraverso il trappolaggio e l’analisi gas-cromatografica delle sostanze prodotte dalle piante oggetto di studio abbiamo quindi individuato tipo e quantità di ogni composto volatile. Oltre alle piante di cetriolo, per questi esperimenti sono state utilizzate anche piante di patata (Solanum tuberosum). Dagli esperimenti sull’aggressività è risultato che le formiche manifestano un elevato potenziale predatorio, eradicando completamente la presenza dei bruchi sulle piante. Questo livello di aggressività tuttavia non cresce con la presenza degli afidi mutualisti che dovrebbero essere difesi dai competitori. Le formiche inoltre non sono in grado di sopprimere i predatori afidofagi che ipotizziamo riescano ad effettuare un camuffamento chimico, assumendo gli odori degli afidi dei quali si nutrono. I risultati degli esperimenti in olfattometro mostrano una chiara risposta positiva delle formiche verso gli odori di alcune delle piante infestate. Vi sono delle differenze nella risposta in funzione della specie di fitofago presente e della specie di pianta utilizzata. Nei trattamenti in cui erano presenti le piante di C. sativus, gli esperimenti in olfattometro hanno mostrato che le formiche rispondono in modo significativo agli odori emessi dalle piante in cui vi era la presenza del fitofago masticatore M. brassicae, solo o in associazione con A. gossypii. La presenza dei soli afidi, sia mutualisti (A. gossypii) sia non mutualisti (M. persicae), non ha invece indotto una risposta significativa nelle formiche rispetto agli odori delle piante non infestate. Nei trattamenti in cui erano presenti le piante di S. tuberosum la scelta delle formiche è stata significativa verso gli odori emessi dalle piante infestate con ciascuna delle singole specie di erbivori rispetto alle piante non infestate. Gli esperimenti sull’analisi delle sostanze volatili emesse dalle piante hanno confermato che gli organismi vegetali sono una vera centrale di produzione biochimica, infatti ben 91 composti volatili diversi sono stati individuati dall’analisi gas-cromatografica delle piante di cetriolo e 85 in quelle di patata. Dalle elaborazioni effettuate, rispettivamente 27 e 4 di essi sono prodotti esclusivamente dalle piante attaccate dai fitofagi. In generale, il cambiamento più consistente è dato dalla quantità di alcune sostanze volatili emesse dalle piante infestate rispetto a quelle integre che determina un cambiamento nei rapporti tra le sostanze che compongono i volatiles. E’ probabile che l’effetto attrattivo esercitato sulle formiche sia dato da un Blend di sostanze più che dai singoli composti presenti

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.