Ricerca, mediante tecniche di proteomica, di biomarcatori proteici utili nella valutazione della qualità degli alimenti di origine animale

In the last decades, the increase of industrial activities and of the request for the world food requirement, the intensification of natural resources exploitation, directly connected to pollution, have aroused an increasing interest of the public opinion towards initiatives linked to the regulation of food production, as well to the institution of a modern legislation for the consumer guardianship. This work was planned taking into account some important thematics related to marine environment, collecting and showing the data obtained from the studies made on different marine species of commercial interest (Chamelea gallina, Mytilus edulis, Ostrea edulis, Crassostrea gigas, Salmo salar, Gadus morhua). These studies have evaluated the effects of important physic and chemical parameters variations (temperature, xenobiotics like drugs, hydrocarbons and pesticides) on cells involved in the immune defence (haemocytes) and on some important enzymatic systems involved in xenobiotic biotransformation processes (cytochrome P450 complex) and in the related antioxidant defence processes (Superoxide dismutase, Catalase, Heat Shock Protein), from a biochemical and bimolecular point of view. Oxygen is essential in the biological answer of a living organism. Its consume in the normal cellular breathing physiological processes and foreign substances biotransformation, leads to reactive oxygen species (ROS) formation, potentially toxic and responsible of biological macromolecules damages with consequent pathologies worsening. Such processes can bring to a qualitative alteration of the derived products, but also to a general state of suffering that in the most serious cases can provoke the death of the organism, with important repercussions in economic field, in the output of the breedings, of fishing and of aquaculture. In this study it seemed interesting to apply also alternative methodologies currently in use in the medical field (cytofluorimetry) and in proteomic studies (bidimensional electrophoresis, mass spectrometry) with the aim of identify new biomarkers to place beside the traditional methods for the control of the animal origin food quality. From the results it’s possible to point out some relevant aspects from each experiment: 1. The cytofluorimetric techniques applied to O. edulis and C. gigas could bring to important developments in the search of alternative methods that quickly allows to identify with precision the origin of a specific sample, contributing to oppose possible alimentary frauds, in this case for example related to presence of a different species, also under a qualitative profile, but morpholgically similar. A concrete perspective for the application in the inspective field of this method has to be confirmed by further laboratory tests that take also in account in vivo experiments to evaluate the effect in the whole organism of the factors evaluated only on haemocytes in vitro. These elements suggest therefore the possibility to suit the cytofluorimetric methods for the study of animal organisms of food interest, still before these enter the phase of industrial working processes, giving useful information about the possible presence of contaminants sources that can induce an increase of the immune defence and an alteration of normal cellular parameter values. 2. C. gallina immune system has shown an interesting answer to benzo[a]pyrene (B[a]P) exposure, dose and time dependent, with a significant decrease of the expression and of the activity of one of the most important enzymes involved in the antioxidant defence in haemocytes and haemolymph. The data obtained are confirmed by several measurements of physiological parameters, that together with the decrease of the activity of 7-etossi-resourifine-O-deetilase (EROD linked to xenobiotic biotransformation processes) during exposure, underline the major effects of B[a]P action. The identification of basal levels of EROD supports the possible presence of CYP1A subfamily in the invertebrates, still today controversial, never identified previously in C. gallina and never isolated in the immune cells, as confirmed instead in this study with the identification of CYP1A-immunopositive protein (CYP1A-IPP). This protein could reveal a good biomarker at the base of a simple and quick method that could give clear information about specific pollutants presence, even at low concentrations in the environment where usually these organisms are fished before being commercialized. 3. In this experiment it has been evaluated the effect of the antibiotic chloramphenicol (CA) in an important species of commercial interest, Chamelea gallina. Chloramphenicol is a drug still used in some developing countries, also in veterinary field. Controls to evaluate its presence in the alimentary products of animal origin, can reveal ineffective whereas the concentration results to be below the limit of sensitivity of the instruments usually used in this type of analysis. Negative effects of CA towards the CYP1A- IPP proteins, underlined in this work, seem to be due to the attack of free radicals resultant from the action of the antibiotic. This brings to a meaningful alteration of the biotransformation mechanisms through the free radicals. It seems particularly interesting to pay attention to the narrow relationships in C. gallina, between SOD/CAT and CYP450 system, actively involved in detoxification mechanism, especially if compared with the few similar works today present about mollusc, a group that is composed by numerous species that enter in the food field and on which constant controls are necessary to evaluate in a rapid and effective way the presence of possible contaminations. 4. The investigations on fishes (Gadus morhua, and Salmo salar) and on a bivalve mollusc (Mytilus edulis) have allowed to evaluate different aspects related to the possibility to identify a biomarker for the evaluation of the health of organisms of food interest and consequently for the quality of the final product through 2DE methodologies. In the seafood field these techniques are currently used with a discreet success only for vertebrates (fishes), while in the study of the invertebrates (molluscs) there are a lot of difficulties. The results obtained in this work have underline several problems in the correct identification of the isolated proteins in animal organisms of which doesn’t currently exist a complete genomic sequence. This brings to attribute some identities on the base of the comparison with similar proteins in other animal groups, incurring in the possibility to obtain inaccurate data and above all discordant with those obtained on the same animals by other authors. Nevertheless the data obtained in this work after MALDI-ToF analysis, result however objective and the spectra collected could be again analyzed in the future after the update of genomic database related to the species studied. 4-A. The investigation about the presence of HSP70 isoforms directly induced by different phenomena of stress like B[a]P presence, has used bidimensional electrophoresis methods in C. gallina, that have allowed to isolate numerous protein on 2DE gels, allowing the collection of several spots currently in phase of analysis with MALDI-ToF-MS. The present preliminary work has allowed therefore to acquire and to improve important methodologies in the study of cellular parameters and in the proteomic field, that is not only revealed of great potentiality in the application in medical and veterinary field, but also in the field of the inspection of the foods with connections to the toxicology and the environmental pollution. Such study contributes therefore to the search of rapid and new methodologies, that can increase the inspective strategies, integrating themselves with those existing, but improving at the same time the general background of information related to the state of health of the considered animal organism, with the possibility, still hypothetical, to replace in particular cases the employment of the traditional techniques in the alimentary field.

Impiego di Ciclopoidi (Crustacea, Copepoda) come agenti di lotta biologica contro le zanzare (Diptera, Culicidae)

Da 25 anni la letteratura scientifica internazionale riporta studi su varie specie di microcrostacei copepodi ciclopoidi dei generi Macrocyclops, Megacyclops e Mesocyclops predatori di larve di 1a e 2a età di culicidi. Si tratta di prove di predazione in laboratorio e in pieno campo, in diverse aree del pianeta nessuna delle quali riguarda l’Italia o il resto d’Europa, contro principalmente Aedes aegypti (L.), Ae. albopictus (Skuse) e altre specie del genere Anopheles e Culex. L’allevamento massale di copepodi ciclopoidi appare praticabile e questo, assieme alle buone prestazioni predatorie, rende tali ausiliari candidati assai interessanti contro le due principali specie di zanzare, Culex pipiens L. e Ae. albpopictus, che nelle aree urbane e periurbane italiane riescono a sfruttare raccolte d’acqua artificiali di volume variabile e a regime idrico periodico o permanente. Pertanto lo scopo dello studio è stato quello di arrivare a selezionare una o più specie di copepodi candidati per la lotta biologica e valutarne la possibilità applicativa nell’ambito dei programmi di controllo delle zanzare nocive dell’ambiente urbano. L’argomento del tutto nuovo per il nostro paese, è stato sviluppato attraverso varie fasi ciascuna delle quali propedeutica a quella successiva. •Indagine faunistica nell’area di pianura e costiera sulle specie di ciclopoidi associate a varie tipologie di raccolte d’acqua naturali e artificiali (fossi, scoline, canali, risaie e pozze temporanee). I campionamenti sono stati condotti con l’obiettivo di ottenere le specie di maggiori dimensioni (≥1 mm) in ristagni con diverse caratteristiche in termini di qualità dell’acqua e complessità biocenotica. •Prove preliminari di predazione in laboratorio con alcune specie rinvenute negli ambienti campionati, nei confronti delle larve di Ae. albopictus e Cx. pipiens. Le prestazioni di predazione sono state testate sottoponendo ai copepodi larve giovani di zanzare provenienti da allevamento e calcolato il numero giornaliero di larve attaccate. •Implementazione di un allevamento pilota della specie valutata più interessante, Macrocyclops albidus (Jurine) (Cyclopoida, Cyclopidae, Eucyclopinae), per i risultati ottenuti in laboratorio in termini di numero di larve predate/giorno e per le caratteristiche biologiche confacenti agli ambienti potenzialmente adatti ai lanci. Questa parte della ricerca è stata guidata dalla finalità di mettere a punto una tecnica di allevamento in scala in modo da disporre di stock di copepodi dalla primavera, nonchè da criteri di economicità nell’impianto e nella sua gestione. •Prove di efficacia in condizioni di semicampo e di campo in raccolte d’acqua normalmente colonizzate dai culicidi in ambito urbano: bidoni per lo stoccaggio di acqua per l’irrigazione degli orti e tombini stradali. In questo caso l’obiettivo principale è stato quello di ottenere dati sull’efficienza del controllo di M. albidus nei confronti della popolazione culicidica selvatica e sulla capacità del copepode di colonizzare stabilmente tali tipologie di focolai larvali. Risultati e conclusioni Indagine faunistica e prove di predazione in laboratorio L’indagine faunistica condotta nell’area costiera ferrarese, in quella ravennate e della pianura bolognese ha portato al rinvenimento di varie specie di ciclopoidi mantenuti in laboratorio per la conduzione delle prove di predazione. Le specie testate sono state: Acanthocyclops robustus (G. O. Sars), Macrocyclops albidus (Jurine), Thermocyclops crassus (Fischer), Megacyclops gigas (Claus). La scelta delle specie da testare è stata basata sulla loro abbondanza e frequenza di ritrovamento nei campionamenti nonché sulle loro dimensioni. Ciascuna prova è stata condotta sottoponendo a un singolo copepode, oppure a gruppi di 3 e di 5 esemplari, 50 larve di 1a età all’interno di contenitori cilindrici in plastica con 40 ml di acqua di acquedotto declorata e una piccola quantità di cibo per le larve di zanzara. Ciascuna combinazione “copepode/i + larve di Ae. albopictus”, è stata replicata 3-4 volte, e confrontata con un testimone (50 larve di Ae. albopictus senza copepodi). A 24 e 48 ore sono state registrate le larve sopravvissute. Soltanto per M. albidus il test di predazione è stato condotto anche verso Cx. pipiens. Messa a punto della tecnica di allevamento La ricerca è proseguita concentrando l’interesse su M. albidus, che oltre ad aver mostrato la capacità di predare a 24 ore quasi 30 larve di Ae. albopictus e di Cx. pipiens, dalla bibliografia risulta tollerare ampi valori di temperatura, di pH e alte concentrazioni di vari inquinanti. Dalla ricerca bibliografica è risultato che i ciclopoidi sono facilmente allevabili in contenitori di varia dimensione e foggia somministrando agli stadi di preadulto alghe unicellulari (Chlorella, Chilomonas), protozoi ciliati (Paramecium, Euplotes), rotiferi e cladoceri. Ciò presuppone colture e allevamenti in purezza di tali microrganismi mantenuti in parallelo, da utilizzare come inoculo e da aggiungere periodicamente nell’acqua di allevamento dei ciclopoidi. Nel caso di utilizzo di protozoi ciliati, occorre garantirne lo sviluppo che avviene a carico di flora batterica spontanea a sua volta cresciuta su di un substrato organico quale latte, cariossidi bollite di grano o soia, foglie di lattuga, paglia di riso bollita con cibo secco per pesci, lievito di birra. Per evitare il notevole impegno organizzativo e di manodopera nonché il rischio continuo di perdere la purezza della colonia degli organismi da utilizzare come cibo, le prove comparative di allevamento hanno portato ad un protocollo semplice ed sufficientemente efficiente in termini di copepodi ottenibili. Il sistema messo a punto si basa sull’utilizzo di una popolazione mista di ciliati e rotiferi, mantenuti nell'acqua di allevamento dei copepodi mediante la somministrazione periodica di cibo standard e pronto all’uso costituito da cibo secco per gatti. Prova di efficacia in bidoni da 220 l di capacità La predazione è stata studiata nel biennio 2007-2008 in bidoni da 220 l di capacità inoculati una sola volta in aprile 2007 con 100 e 500 esemplari di M. albidus/bidone e disposti all’aperto per la libera ovideposizione della popolazione culicidica selvatica. L’infestazione preimmaginale culicidica veniva campionata ogni due settimane fino ad ottobre, mediante un retino immanicato a maglia fitta e confrontata con quella dei bidoni testimone (senza copepodi). Nel 2007 il tasso di riduzione medio delle infestazioni di Ae. albopictus nei bidoni con copepodi, rispetto al testimone, è del 99,90% e del 100,00% rispettivamente alle dosi iniziali di inoculo di 100 e 500 copepodi/bidone; per Cx. pipiens L. tale percentuale media è risultata di 88,69% e di 84,65%. Similmente, nel 2008 si è osservato ad entrambe le dosi iniziali di inoculo una riduzione di Ae. albopictus del 100,00% e di Cx. pipiens del 73,3%. La dose di inoculo di 100 copepodi per contenitore è risultata sufficiente a garantire un rapido incremento numerico della popolazione che ha raggiunto la massima densità in agosto-settembre e un eccellente controllo delle popolazioni di Ae. albopictus. Prova di efficacia in campo in serbatoi per l’acqua irrigua degli orti La prova è stata condotta a partire dalla metà di agosto 2008 interessando 15 serbatoi di varia foggia e capacità, variabile tra 200 e 600 l, utilizzati per stoccare acqua orti famigliari nel comune di Crevalcore (BO). Ai proprietari dei serbatoi era chiesto di gestire il prelievo dell’acqua e i rifornimenti come da abitudine con l’unica raccomandazione di non svuotarli mai completamente. In 8 contenitori sono stati immessi 100 esemplari di M.albidus e una compressa larvicida a base di Bacillus thuringiensis var. israelensis (B.t.i.); nei restanti 7 è stata soltanto immessa la compressa di B.t.i.. Il campionamento larvale è stato settimanale fino agli inizi di ottobre. Dopo l’introduzione in tutti i serbatoi sono stati ritrovati esemplari di copepodi, nonostante il volume di acqua misurato settimanalmente sia variato da pochi litri, in qualche bidone, fino a valori della massima capacità, per effetto del prelievo e dell’apporto dell’acqua da parte dei gestori degli orti. In post-trattamento sono state osservate differenze significative tra le densità larvali nelle due tesi solo al 22 settembre per Ae.albopictus Tuttavia in termini percentuali la riduzione media di larve di 3a-4a età e pupe nei bidoni con copepodi, rispetto al testimone, è stata de 95,86% per Ae. albopictus e del 73,30% per Cx. pipiens. Prova di efficacia in tombini stradali Sono state condotte due prove in due differenti località, interessando 20 tombini (Marano di Castenaso in provincia di Bologna nel 2007) e 145 tombini (San Carlo in provincia di Ferrara nel 2008), quest’ultimi sottoposti a spurgo e pulizia completa nei precedenti 6 mesi l’inizio della prova. L’introduzione dei copepodi nei tombini è stata fatta all’inizio di luglio nella prova di Marano di Castenaso e alla fine di aprile e giugno in quelli di San Carlo, a dosi di 100 e 50 copepodi/tombino. Prima dell’introduzione dei copepodi e successivamente ogni 2 settimane per due mesi, in ogni tombino veniva campionata la presenza culicidica e dei copepodi con dipper immanicato. Nel 2007 dopo l’introduzione dei copepodi e per tutto il periodo di studio, mediamente soltanto nel 77% dei tombini i copepodi sono sopravvissuti. Nel periodo di prova le precipitazioni sono state scarse e la causa della rarefazione dei copepodi fino alla loro scomparsa in parte dei tombini è pertanto da ricercare non nell’eventuale dilavamento da parte della pioggia, quanto dalle caratteristiche chimico-fisiche dell’acqua. Tra queste innanzitutto la concentrazione di ossigeno che è sempre stata molto bassa (0÷1,03 mg/l) per tutta la durata del periodo di studio. Inoltre, a questo fattore probabilmente è da aggiungere l’accumulo, a concentrazioni tossiche per M. albidus, di composti organici e chimici dalla degradazione e fermentazione dell’abbondante materiale vegetale (soprattutto foglie) in condizioni di ipossia o anossia. Nel 2008, dopo il primo inoculo di M. albidus la percentuale di tombini che al campionamento presentano copepodi decresce in modo brusco fino a raggiungere il 6% a 2 mesi dall’introduzione dei copepodi. Dopo 40 giorni dalla seconda introduzione, la percentuale di tombini con copepodi è del 6,7%. Nell’esperienza 2008 è le intense precipitazioni hanno avuto probabilmente un ruolo determinante sul mantenimento dei copepodi nei tombini. Nel periodo della prova infatti le piogge sono state frequenti con rovesci in varie occasioni di forte intensità per un totale di 342 mm. Sotto questi livelli di pioggia i tombini sono stati sottoposti a un continuo e probabilmente completo dilavamento che potrebbe aver impedito la colonizzazione stabile dei copepodi. Tuttavia non si osservano influenze significative della pioggia nella riduzione percentuale dei tombini colonizzati da copepodi e ciò fa propendere all’ipotesi che assieme alla pioggia siano anche le caratteristiche fisico-chimiche dell’acqua a impedire una colonizzazione stabile da parte di M. albidus. In definitiva perciò si è dimostrato che i tombini stradali sono ambienti ostili per la sopravvivenza di M. albidus, anche se, dove il ciclopoide si è stabilito permanentemente, ha dimostrato un certo impatto nei confronti di Ae. albopictus e di Cx. pipiens, che tuttavia è risultato non statisticamente significativo all’analisi della varianza. Nei confronti delle larve di Culex pipiens il copepode non permette livelli di controllo soddisfacente, confermando i dati bibliografici. Nei confronti invece di Ae. albopictus la predazione raggiunge buoni livelli; tuttavia ciò non è compensato dalla percentuale molto alta di tombini che, dopo periodi di pioggia copiosa o singoli episodi temporaleschi o per le condizioni di anossia rimangono senza i copepodi. Ciò costringerebbe a ripetute introduzioni di copepodi i cui costi attualmente non sono inferiori a quelli per trattamenti con prodotti larvicidi. In conclusione la ricerca ha portato a considerare Macrocyclops albidus un interessante ausiliario applicabile anche nelle realtà urbane del nostro paese nell’ambito di programmi integrati di contrasto alle infestazioni di Aedes albopictus. Tuttavia il suo utilizzo non si presta a tutti i focolai larvali ma soltanto a raccolte di acqua artificiali di un certo volume come i bidoni utilizzati per stoccare acqua da impiegare per l’orto e il giardino familiare nelle situazioni in cui non è garantita la copertura ermetica, lo svuotamento completo settimanale o l’utilizzo di sostanze ad azione larvozanzaricida.