Riassunto analitico
Lo scopo di questo progetto di tesi è quello di investigare il ruolo dalle caratteristiche morfologiche, microstrutturali e fisico-chimiche del crisotilo, anfiboli e dell'erionite nell'indurre lo sviluppo di malattie legate alla presenza amianto nel corpo umano. Questa tesi fa parte di un progetto di ricerca nazionale, con l'obiettivo principale di classificare sistematicamente le fibre minerali in termini di tossicità. Il progetto "Sviluppo di un modello generale di interazioni tra fibre minerali e cellule biologiche" è stato premiato come Progetto di Interesse Nazionale (PRIN) nel 2011-2015 intitolato "Interazione fra minerali e biosfera: conseguenze per l'ambiente e la salute umana". Il risultato di questo studio multidisciplinare ha permesso di definire e valutare i ruoli dei macro- e micro-parametri responsabili dell'attività biochimica delle fibre minerali. Come primo passo sono stati identificati tutti i parametri fisico-chimici e cristallografici relativi alla tossicità (caratteristiche mineralogiche come la presenza di impurità, parametri morfometrici, presenza di ferro e elementi tossici, biodurabilità, carica superficiale), i quali sono stati sistematicamente studiati utilizzando un set di fibre standard. Questo progetto ha previsto una collaborazione con l'Istituto di Ricerca sul Cancro Ramazzi di Bentivoglio (Bologna) che ha utilizzato gli stessi campioni di fibre minerali per determinarne la cancerogenicità in vivo. Questo studio è iniziato nel 1981 e gruppi di 40 ratti sono stati inoculati con lo stesso set di fibre minerali studiate all'interno del PRIN 2011 e sottoposti a uno studio in vivo della durata di 3 anni per la valutarne la carcinogenicità. I ratti hanno vissuto fino a morte spontanea, quindi è stato possibile raccogliere tessuti istologici con all’interno fibre minerali a diversi tempi di contatto, con lo scopo di studiare la variazione chimiche, fisiche e strutturali che hanno subito le fibre minerali inoculate. I test in vivo hanno dimostrato che le fibre minerali seguono comportamenti diversi quando sono in contatto con un ambiente cellulare come: - diversa biodurabilità e velocità/cinetica di dissoluzione, - rilascio di elementi chimici diversi in base alla struttura cristallina, - diversi cambiamenti sia morfologici che in termini di struttura cristallina. Per confermare le osservazioni dei test in vivo, sono stati eseguiti esperimenti di dissoluzione tramite l’uso di soluzioni che replicano i fluidi cellulari polmonari. Questi esperimenti hanno consentito di studiare per la prima volta in modo sistematico le cinetiche di dissoluzione di minerali fibrosi, contribuendo allo sviluppo di un modello generale per valutare la tossicità delle fibre minerali. Questo modello permette di valutare l’effettiva pericolosità di molte fibre minerali (come le zeoliti) non ancora classificate, che potrebbero presentare un elevato potenziale di tossicità. Inserendo le differenti proprietà chimico-fisiche di una fibra non classificata nel modello risulta possibile calcolarne il grado di tossicità, evitando nuovi casi di una possibile esposizione di massa come a Biancavilla (Catania) per la fluoro-edenite e Tuzcöy (Turchia) per l'erionite. Il modello ha permesso di identificare una zeolite fibrosa non classificata molto simile all'erionite. Inoltre, è stato notato che il prolungato contatto delle fibre di crisotilo con soluzioni organiche conduce la fibra minerale alla pseudo amorfizzazione, trasformando la fibra in una sorta di scheletro formato da silice amorfa. Questo prodotto amorfo potrebbe essere altamente reattivo e contribuire alla tossicità della fibra, e potrebbe essere un parametro fondamentale nel determinare la tossicità del crisotilo.
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Abstract
The purpose of this thesis project is to understand the role played by morphological, microstructural and physical-chemical characteristics of chrysotile, amphiboles and erionite in inducing asbestos-related diseases in human body. This thesis is part of a long-term Italian research project started in 2011, with the specific object to systematically classify mineral fibres in terms of toxicity. The project “Sviluppo di un modello generale di interazioni tra fibre minerali e cellule biologiche” was granted as Project of National Interest (PRIN) in 2011-2015 entitled “Interazione fra minerali e biosfera: conseguenze per l'ambiente e la salute umana”. The outcome of this multidisciplinary long-term study allowed to define the macro- and micro-parameters responsible for the bio-chemical activity of the fibres and assess their specific role. As a first step all the physical-chemical and crystallographic parameters related to toxicity (mineralogical characteristics such as the presence of impurities, morphometric parameters, iron and toxic elements, biodurability, surface charge) has been identified and systematically investigated using a set of standard fibres This project involved also a collaboration with Ramazzini Cancer Research Institute of Bentivoglio (Bologna) that used mineral fibres specimen for a long term tests for the determination of the cancerogenicity of mineral fibres in vivo. This study started in 1981, and at least 40 rats were inoculated with the same set of mineral fibres studied within the PRIN 2011, and subjected to a 3 years long animal testing aimed to the assessment in vivo of the mineral fibres cancerogenity. The rats were let to live until spontaneous death, so it was possible to collect histological tissue at different contact time, with the purpose to understand the structural and physical chemical variation which undergoes the inoculated mineral fibres. The in vivo tests has shown that mineral fibres follow different behaviors when in contact with a cellular environment like:
- different biodurability and kinetics of dissolution,
- different elemental release,
- different changes in crystalline structure.
To confirm the in vivo observations, simulated lung fluids (SLF) dissolution experiments were carried out. These experiments allowed to study for the first time in a systematic way the kinetics of dissolution of the selected fibrous minerals. This achievement has contributed in the development of a general conclusive model to assess the toxicity of mineral fibres. This model would be very useful in consideration of the fact that there are many mineral fibres (like zeolites) not yet classified that might possess a toxicity potential. By applying the different chemical-physical properties of a not-classified fibre to the model, its potential degree of toxicity could be calculated and new cases of mass exposure as Biancavilla (Catania, Sicily) for fluoro-edenite and Tuzcöy (Turkey) for erionite could be avoided. The model allowed to identify an unclassified fibrous zeolite very similar to carcinogenic erionite to be fully investigated. In addition, it was found that the contact of chrysotile fibres with organic media leads to pseudo-amorphization leaving a silica-rich fibre skeleton. This product of amorphization could be highly reactive and contribute to the toxicity, turning out to be a key parameter in determining the toxicity of chrysotile.
A combination of several analytical techniques, both using conventional and non-conventional sources, will be applied to reach the objectives of the thesis.
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