Riassunto analitico
Con il termine "fibre minerali" si intende un gruppo di minerali naturali diffuso in tutta la Terra. Tra questi, i più rilevanti e certamente i più temuti sono i minerali dell’amianto e le zeoliti fibrose come l'erionite. Questi minerali rappresentano un interessante oggetto di studio in quanto i meccanismi con cui inducono danni a livello cito- e geno-tossico rimangono poco chiari e manca la comprensione del rapporto causa-effetto tra l'esposizione alle fibre e l'insorgenza delle malattie. Le difficoltà derivano dalla grande variabilità chimica, morfologica e strutturale di questi minerali, che influenza fortemente le reazioni biogeochimiche.
Per questi motivi, la presente tesi di dottorato si propone di contribuire alla valutazione dei meccanismi di interazione e di tossicità biologica del crisotilo, degli anfiboli e dell'erionite, partendo da una solida caratterizzazione sistematica delle loro proprietà.
Per lo studio, sono state selezionate 8 fibre di importanza sociale ed economico-industriale. Le impurità sono state individuate e quantitativamente stimate servendosi della diffrazione di raggi X da polveri (XRPD) cui è seguito lo studio della reattività di superficie, attraverso misure di potenziale Zeta e di area superficiale.
Successivamente l'attenzione si è focalizzata sull'ambiente chimico del ferro all'interno delle strutture cristalline, mediante spettroscopia di assorbimento di raggi X (XAS) e spettroscopia Mössbauer.
Una volta ottenuto un quadro soddisfacente dal punto di vista fisico-chimico e mineralogico, le indagini sono state indirizzate ai cambiamenti strutturali subiti dalle fibre dopo essere state in contatto con colture cellulari umane, tramite μXANES, μXRD e mappatura XRF del ferro in situ con luce di sincrotrone.
Sono stati inoltre condotti esperimenti di dissoluzione su fibre di crisotilo in contatto con una soluzione che simula i fluidi polmonari (S.L.F.) mentre gli esperimenti su anfiboli ed erionite sono tuttora in corso.
I principali risultati possono essere così sintetizzati:
1) Tutte le fibre a contatto con la soluzione S.L.F. mostrano valori di potenziale Zeta negativi e simili tra loro, cadendo nell'intervallo di valori in cui è favorita l'aggregazione delle fibre. Tale comportamento potrebbe virtualmente pregiudicare la risposta apoptotica attraverso il sequestro di ioni Ca2+.
2) In tutti i campioni il ferro è stato trovato in coordinazione ottaedrica, con gli ioni Fe2+ situati nelle posizioni della struttura meno influenzate dall'ossidazione. Considerando il tempo di dissoluzione più breve del crisotilo rispetto agli anfiboli (sebbene questi ultimi siano più ricchi in ferro) il rilascio di ferro potrebbe essere comparabile. rappresenta un caso particolare poiché il ferro è presente solo come Fe3+ in coordinazione ottaedrica all'interno di un rivestimento superficiale di nanoparticelle di ossido.
3) Il contatto delle fibre di crisotilo con le colture cellulari porta alla loro amorfizzazione, poi seguita dalla dissoluzione in senso stretto. La crocidolite mostra lievi segni precoci di amorfizzazione mentre l'erionite sembra essere la specie fibrosa più stabile a contatto con le cellule. La formazione di uno scheletro siliceo fibroso in seguito alla pseudo-amorfizzazione del crisotilo potrebbe indurre la produzione di radicali ossidrili in sinergia con le specie di ferro presenti in superficie; quindi il crisotilo potrebbe essere molto più reattivo e citotossico in vitro nel breve termine, mentre l'attività della crocidolite e dell'erionite sarebbe più lenta ma persistente nel lungo termine. Il lavoro qui descritto rappresenta un ulteriore passo verso lo sviluppo di un modello generale che descriva il complesso meccanismo di interazione tra fibre e ambiente cellulare.
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Abstract
With the general term “mineral fibres” is intended a group of natural minerals widespread throughout the Earth. Among them, the most relevant and certainly the most feared ones are asbestos minerals and fibrous zeolites such as erionite. These minerals represent an interesting subject of study since the mechanisms by which they induces cyto- and geno-toxic damage remain unclear and there is a lack in understanding the cause-effect relationship between exposure to the fibres and the onset of the disease. The difficulties arise from the great chemical, morphological and structural variability of these minerals, which affect the biogeochemical reactions.
For these reasons, the present doctoral thesis aims to contribute to the assessment of the interaction mechanisms and biological toxicity of chrysotile, amphyboles and erionite, starting from a strong systematic characterization of their properties.
For the study, 8 mineral fibres of social and economic-industrial importance were selected. The impurities were detected and quantitatively estimated by using XRPD both from conventional and unconventional sources; the following step was the characterization of the surface reactivity, through Zeta potential and surface area measurements. Subsequently the focus has shifted on the chemical environment of iron within the crystal structures, using X-ray absorption and Mössbauer spectroscopy.
Once obtained a satisfactory general picture from the physical-chemical and mineralogical point of view, investigations were addressed on aspects of biological interaction. Specifically, we have studied the structural changes undergone by the fibres after being in contact (for different times) with human cell cultures, using in situ synchrotron XRF iron mapping, µXANES, and µXRD. Moreover, in recent months, dissolution experiments on chrysotile fibres have been conducted in contact with simulated lung fluid solution (S.L.F.) at acidic pH; dissolution experiments on amphiboles and erionite are still in progress.
The main results can be summarized as follows:
1) All amphibole, chrysotile and erionite fibres, when in contact with S.L.F. solution, display negative Zeta potentials and minor differences, falling in the range of values where the agglomeration of fibres is favoured. Such behaviour may virtually impair apoptotic response via the sequestration of Ca2+ ions.
2) In all investigated fibres, iron has been found in octahedral cavities, with Fe2+ ions located in the innermost structure positions inside the crystal lattice less affected by oxidation. Taking into account the much shorter dissolution time of chrysotile with respect to amphiboles (although the latter are much more rich in iron) the release of iron could be comparable. Erionite turns out to be a special case since iron is present as octahedrally coordinated Fe3+ likely inside a surface coating of oxide nanoparticles.
3) The contact of the chrysotile fibres with the cell cultures leads to amorphization, interpreted as the first dissolution step, later followed by dissolution sensu stricto. Crocidolite shows minor early signs of amorphization whereas erionite seems to be the more stable fibre species in contact with the cells. The formation of a silica-rich fibre skeleton after pseudo-amorphization of chrysotile may prompt the production of hydroxyl radicals in synergy with surface iron species; this could indicate that chrysotile may be much more reactive and cytotoxic in vitro in the short term whereas the activity of crocidolite and erionite would be much more sluggish but persistent in the long term.
The work presented here could be helpful for the development of a general model describing the complex mechanism of interaction between fibres and cellular environment.
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