Esposizione alle cianotossine e rischi per la salute Emanuela Testai

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1 Esposizione alle cianotossine e rischi per la salute Emanuela Testai Dipartimento Ambiente e Prevenzione Primaria Istituto Superiore di Sanità Rome-Italy Convegno Salute e Ambiente in Italia Roma- Dicembre

2 Collaborazione tra due Reparti del Dipartimento: Meccanismi di Tossicità e Qualità degli Ambienti Acquatici e Acque di Balneazione F.M. Buratti E. Funari M. Manganelli S. Scardala M. Stefanelli S. Vichi e agli altri collaboratori su problematiche specifiche 2 Convegno Salute e Ambiente in Italia Roma- Dicembre 2011

3 Aumentati livelli di nutrienti Cambiamenti climatici Eutrofizzazione dei corpi idrici Aumento di T, alterato ph, alluvioni/siccità Condizioni favorevoli per la crescita (fioritura o bloom) di cianobatteri (procarioti fotosintetici ubiquitari) fino a densità così elevate da formare schiume. 3

4 Cianobatteri : problema emerso o emergente? Il WHO considera i cianobatteri come un problema sanitario emergente, non come organismi patogeni ma in relazione alla produzione delle tossine. L uomo è esposto alle cianotossine attraverso vie e scenari diversi. 4

5 Cianobatteri vs cianotossine Molte specie di cianobatteri producono come metaboliti secondari tossine tra cui: Microcistine (MC): un gruppo di eptapeptidi epatotossici costituito da circa 80 congeneri conosciuti Anatossine/saxitossine: un potente gruppo di neuro-tossine, che agiscono bloccando la contrazione di muscoli scheletrici e respiratori Cilindrospermopsina : inibitore della sintesi proteica per se epato- e nefro-tossica. Osservazioni indirette suggeriscono una bioattivazione (CYP-dipendente) a 5 metaboliti potenzialmente genotossici.

6 Cianobatteri: cosa è noto? Sono disponibili molti dati sulla ecologia dei cianobatteri. MA I fattori ambientali che scatenano la crescita non sono del tutto chiari (probabilmente cause multifattoriali - diverse per i vari cianobatteri): influenza dei CC I fattori ambientali responsabili della dinamica delle popolazioni costituite in proporzione variabile di individui tossici/non tossici (per la presenza di geni coinvolti nella sintesi non-ribosomale delle tossine) non sono noti Il ruolo fisiologico delle cianotossine non è noto L identificazione di altri peptidi con attività biologica sconosciuta è solo agli inizi. 6

7 Cambiamenti climatici Da Funari et al, JToxicol Environ Health B Submitted

8 Interazioni con i batteri Lago di Gerosa piccolo bacino artificiale oligotrofico in area montuosa scarsamente antropizzata. Perché ci sono fioriture di Planktothrix rubescens? C è un ruolo dei batteri nel riciclo dei nutrienti? Rapporto fra fosfatasi ed amminopeptidasi > 1 il fosforo è presente in concentrazioni limitanti per la comunità fitoplanctonica ma l intensa attività di riciclo delle fosfatasi ne permette il mantenimento durante tutto l anno. Significativa correlazione negativa fra amminopeptidasi e concentrazione di nitrati l azione enzimatica di riciclo ovvia alla limitazione di azoto. Lago di Vico: maggiore livello di trofia. Non c è alcun legame fra la pur elevata attività di riciclo dei batteri e le fioriture dei cianobatteri. Le concentrazioni dei nutrienti sono per sé in grado di sostenere comunità molto più ricche e diverse di batteri, cianobatteri e fitoplancton e mantenere alte densità di P. rubescens durante tutto l anno. 8 Vedi il Poster Stefanelli et al.

9 Cianobatteri e Cianotossine: problema emerso o emergente? I cianobatteri sono considerati dal WHO come un problema sanitario emergente sebbene non come organismi patogeni ma in relazione alla produzione delle tossine. L uomo è esposto alle cianotossine attraverso vie e scenari diversi. 9

10 Vie di esposizione umana Orale Inalatoria Cutanea acqua potabile attività di ricreazione dieta integratori alimentari aerosols, spray durante attività ricreative/occupazionali, doccia attività ricreative/occupazionali, doccia Emodialisi acqua utilizzata allo scopo (in Brasile 56 decessi su 130 pazienti, e altri casi di 10 esposizione subtossica)

11 Monitoraggi E necessario conoscere le caratteristiche del bacino per poter disegnare piani di monitoraggio adeguati, attraverso approcci integrati. Lago di Gerosa (oligotrofico): La sola densità cianobatterica (che rimane cruciale in attività di routine) non è sufficiente alla protezione della salute, perché il rapporto cellule tossiche/non tossiche non è costante, varia con le condizioni ambientali e determina shift temporali tra picco di densità cellulare e picco di tossine. Lago di Vico (meso-eutrofico): il rapporto cellule tossiche/non tossiche è sempre alto, ma la comunità è molto più ricca e sono cruciali i rapporti tra cianobatteri, con possibile formazione di altre tossine. Quando il cianobatterio dominante è P. rubescens e il bacino è utilizzato come fonte di acqua potabile, è importante analizzare campioni sotto il termoclino dove si possono avere fioriture come in superficie e la % di cellule tossiche è più alta che in superficie E importante usare per la determinazione delle tossine sia un metodo aspecifico (ELISA) (stima semiquantitativa del carico globale di tossina), sia metodi specifici nel caso di concentrazioni rilevanti (profilo dei congeneri) 11 Da : Manganelli et al, Water Res., 2010; Scardala et al, in preparazione

12 Episodi di intossicazioni acute riportati : Acqua potabile contaminata (per utilizzo di sistemi di trattamento poco efficienti) Avvelenamenti di bestiame, uccelli, animali selvatici e domestici (Funari e Testai, Notiziario ISS, 2010) In caso di fioriture gli animali abbeverandosi possono essere esposti a dosi letali di cianotossine, presenti in volumi di acqua anche inferiori al loro fabbisogno giornaliero. Effetti sulla salute degli animali. Effetti sulla salute dell uomo esposto attraverso il consumo di carni, latte e derivati Il problema sanitario più rilevante è comunque legato ad esposizioni ripetute 12

13 VdR per la salute umana Bovini trattati per brevi periodi con microcistine o estratti di M. aeruginosa densità cellulari e/o a livelli di tossina fino a 10 μg/l (tipicamente misurati in acque superficiali) non sono tossici per gli animali i livelli di residui nelle carni e nel latte sono trascurabili Consumo di carni e latte derivati da animali abbeverati con acque contaminate da MC non è significativo. Nessuna informazione su congeneri liposolubili di MC e/o altre tossine Avviato un progetto con IZS della Sardegna per affrontare il problema : bovini, ovini, suini e trote presenti nel Lago Alto Flumendosa 13

14 Episodi di intossicazioni acute riportati : Acqua potabile contaminata (per utilizzo di sistemi di trattamento poco efficienti) Avvelenamenti di bestiame, uccelli, animali selvatici e domestici (soprattutto cani) Presenza di MC nella parte edule di pesci, crostacei e molluschi bivalvi (fino a g MCs/kg). I valori più elevati si misurano nelle viscere. Possibile presenza di più tossine nello stesso organismo (tossicità da miscele) specialmente in organismi marini esposti a tossine prodotte da cianobatteri e alghe tossiche marine Non sono note le cinetiche di eventuale accumulo/eliminazione : necessità di identificare i tempi più appropriati per i monitoraggi Collaborazione con UniTrieste e partecipazione ad una call FP7 coordinata da IFREMER. 14

15 Episodi di intossicazioni acute riportati : Acqua potabile contaminata (per utilizzo di sistemi di trattamento poco efficienti) Avvelenamenti di bestiame, uccelli, animali selvatici e domestici (soprattutto cani) Presenza di MC nella parte edule di pesci, crostacei e molluschi bivalvi (fino a g MCs/kg). I valori più elevati si misurano nelle viscere. Contaminazione di integratori alimentari a base di estratti di cianobatteri (BGAS) 15

16 Integratori ottenuti da Spirulina spp. e Aphanizomenon flos-aquae cresciute in bacini artificiali e/o in laghi naturali: sono pubblicizzati come supporto nelle diete ipocaloriche per perdere peso, per migliorare l umore, come benefico apporto energetico e per aumentare l attenzione (uso pediatrico per il trattamento naturale della sindrome da deficit di attenzione - ADHD). Non essendo un farmaco convenzionale, non c è prescrizione nè posologia ma programmi di consumo individuale (Decesso di una 37enne tedesca per epatite da BGAS) In BGAS sul mercato italiano abbiamo evidenziato contaminazione da MC (LC/MS-MS) prodotta da Mycrocistis spp. (identificata con qpcr) MC-LR MC-LA 1 μg/g BGAS 16 Vichi et al, in preparazione

17 Cianobatteri e Cianotossine: problema emerso o emergente? I cianobatteri sono considerati dal WHO come un problema sanitario emergente sebbene non come organismi patogeni ma in relazione alla produzione delle tossine. L uomo è esposto alle cianotossine attraverso vie e scenari diversi. Le cianotossine conosciute finora sembrano rappresentare solo una frazione limitata delle esistenti 17

18 cell/l μg/l Stessi cianobatteri : tossine diverse? 3.00E E E E E E E+00 Stazione A P. rubescens cellule potenzialmente tossiche P. rubescens cellule totali P. rubescens + L. redekeii MC tot Scardala et al, in preparazione Limnothrix redekeii nel lago di Vico: possibile contributo alla produzione di DemMC- RR? Isolata non mostra di avere mcyb: un gene diverso? Bernard et al. (2009) riporta un elevato potenziale di tossicità dovuto ad una tossina non ancora identificata. Trichodesmium è un cianobatterio marino (che dalle zone tropicali è arrivato in zone temperate) che è stato recentemente dimostrato produce palitossina e 42-idrossi-palitossina (come O.Ovata) Il ceppo australiano di Cylindrospermopsin raciborskii produce cilindrospermopsina mentre il ceppo brasiliano e quello europeo producono rispettivamente saxitoxine e una tossina ancora non nota 18

19 Cianobatteri e Cianotossine: problema emerso o emergente? I cianobatteri sono considerati dal WHO come un problema sanitario emergente sebbene non come organismi patogeni ma in relazione alla produzione delle tossine. L uomo è esposto alle cianotossine attraverso vie e scenari diversi. Le cianotossine conosciute finora sembrano rappresentare solo una frazione limitata delle esistenti E stato proposto per i cianobatteri un ruolo nella eziologia della SLA (Sclerosi Laterale Amiotrofica) che presuppone la possibilità che i cianobatteri colonizzino l ospite. 19

20 ..cianobatteri eterotrofi? Per verificare la plausibilità della ipotesi di colonizzazione dell intestino: Microcystis sopravvive in condizioni che mimano il microambiente gastro-intestinale? Durante il passaggio in ambiente acido (2 h a ph=2 tipico dello stomaco), si assiste ad una significativa lisi cellulare con massiccio rilascio di MC. Poi Microcystis cresce 37 C, al buio e in presenza dei batteri della flora intestinale come organismo eterotrofo per almeno 4-7 giorni mantenendo la presenza e l espressione del gene mcyb e una limitata produzione di MC. Cell lysis after ph2 Healthy cells in a matrix of dissolved SybrGreen stained DNA 20

21 Nonostante l esposizione a cianotossine possa rappresentare un rischio per la salute dell uomo potenzialmente rilevante: i dati tossicologici disponibili sono limitati, i dati sull uomo davvero scarsi la conduzione di valutazioni di rischio è possibile ma con un elevato grado di incertezza (al quale si sopperisce utilizzando opportuni fattori di sicurezza per assicurare la protezione della salute delle popolazioni esposte). 21

22 L epatossità acuta delle MC è congeneredipendente Toxin i.p. LD 50 (µg/kg) M.W. Structure MC-LR cyclo -(D-Ala-L-Leu-D-MeAsp-L-Arg-Adda-D-Glu-Mdha-) [D-Asp 3 ]MC-LR cyclo -(D-Ala-L-Leu-D-Asp-L-Arg-Adda-D-Glu-Mdha-) [L-MeLan 7 ]MC-LR cyclo -(D-Ala-L-Leu-D-MeAsp-L-Arg-Adda-D-Glu-L-MeLan-) [6(Z)-Adda 5 ]MC- LR > cyclo- (D-Ala-L-Leu-D-MeAsp-L-Arg-6(Z)Adda-D-Glu-Mdha) MC-LA cyclo -(D-Ala-L-Leu-D-MeAsp-L-Ala-Adda-D-Glu-Mdha-) MC-RR cyclo -(D-Ala-L-Arg-D-MeAsp-L-Arg-Adda-D-Glu-Mdha-) [Dha 7 ]MC-RR cyclo -(D-Ala-L-Arg-D-MeAsp-L-Arg-Adda-D-Glu-Dha-) [6(Z)-Adda 5 ]MC- RR > cyclo- (D-Ala-L-Arg-D-MeAsp-L-Arg-6(Z)Adda-D-Glu-Mdha) MC-YR cyclo -(D-Ala-L-Tyr-D-MeAsp-L-Arg-Adda-D-Glu-Mdha-) MC-YA cyclo- (D-Ala-L-Tyr-D-MeAsp-L-Ala-Adda-D-Glu-Mdha-) MC-AR cyclo -(D-Ala-L-Ala-D-MeAsp-L-Arg-Adda-D-Glu-Mdha-) MC-M(O)R cyclo -(D-Ala-L-Met(O)-D-MeAsp-L-Arg-Adda-D-Glu-Mdha-) Da Funari &Testai, Cri.RevToxicol 2008 Differenze di volte tra tossicità acuta i.p. e orale è attribuita a differenze nella tossicocinetica delle MC. 22

23 La coniugazione di MC-LR e MC-RR con il GSH Le isoforme di GST umane ricombinanti M1, T1, P1, A1 and A3 sono in grado, con diversa affinità, di detossificare i due congeneri di MC a concentrazioni basse rappresentative delle dosi di esposizione. Le principali isoforme coinvolte sono la T1, M1 e A1 localizzate nel fegato. I parametri cinetici indicano che la MC-RR è detossificata più efficientemente della MC-LR, facendo ipotizzare che questa caratteristica possa spiegare almeno in parte la diversa tossicità acuta dei due congeneri, non attribuibile esclusivamente ad una diversa affinità nei confronti del bersaglio e del meccanismo molecolare (inibizione della fosfatasi PP2A). GST enzimi polimorfici con delezione del gene (15-25% dei Caucasici e 60% degli orientali mancano della T1; 50% della popolazione manca della M1) questi gruppi di individui possono essere considerati più suscettibili agli effetti tossici poiché meno efficienti nel detossificare le MC via coniugazione con il GSH. Per MC-LR : Buratti et al, Chem. Res. Toxicol Per MC-RR: Vedi poster Buratti et al. 23

24 Domande? 24