Gli scienziati della Virginia Tech hanno scoperto che particelle incredibilmente piccole di un insolito e altamente tossico ossido di titanio presente nello smog e nella cenere del carbone possono causare danni ai polmoni nei topi dopo una singola esposizione, con danni a lungo termine che si verificano in sole sei settimane.

I test erano diretti da Irving Coy Allen, un professore del Virginia-Maryland College of Veterinary Medicine, con collaboratori di tutta Virginia Tech e ricercatori dell'Università del Colorado, l'Università della Carolina del Nord a Chapel Hill, Università della Carolina dell'Est, e la East China Normal University di Shanghai. I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista scientifica Frontiere in immunologia .

Seguono le scoperte del 2017 del geoscienziato della Virginia Tech Michael Hochella secondo cui bruciare carbone, quando il fumo non viene catturato dai filtri di fascia alta attualmente presenti nelle centrali elettriche statunitensi, emette nell'atmosfera minuscole particelle note come nanoparticelle di subossido di titanio. Tali nanoparticelle sono state trovate dal team di scienziati di Hochella nella cenere raccolta dalle strade della città, marciapiedi, e in stagni e baie vicino alle città statunitensi e cinesi.

Utilizzo di modelli di topo in un ambiente di laboratorio, queste minuscole nanoparticelle, fino a 100 milionesimi di metro, sono entrate nei polmoni dopo essere state inalate. Una volta dentro i polmoni, le nanoparticelle hanno incontrato i macrofagi, le cellule difensive dei polmoni che intrappolano e rimuovono i materiali estranei. Tipicamente, queste cellule proteggono i polmoni dagli agenti patogeni, come batteri e virus. Ma contro queste nanoparticelle, i macrofagi vacillano.

"Non possono abbattere le nanoparticelle di titanio, così le cellule iniziano a morire, e questo processo recluta più macrofagi. Questi processi iniziano un ciclo di feedback con ogni ciclo di cellule morenti che si concentrano attorno alle nanoparticelle, " disse Allen, membro del Dipartimento di Scienze Biomediche e Fisiopatologia. "Il morente, le cellule contenenti nanoparticelle iniziano quindi a depositarsi nei polmoni e questi depositi causano problemi. Iniziamo a vedere impatti negativi sulla funzione polmonare, e fondamentalmente i polmoni non riescono a continuare a funzionare correttamente."

In quella che Allen chiama una "scoperta sorprendente, " il suo team ha scoperto effetti negativi dopo una sola esposizione alle nanoparticelle tossiche. I danni a lungo termine dai depositi possono apparire in appena sei settimane, sollevando preoccupazioni per le città altamente inquinate. "Ci siamo resi conto che se qualcuno vive vicino a una centrale elettrica, o vicino a una di queste fonti di combustione del carbone, non sarebbero esposti a una singola dose, sarebbero esposti a questo ogni giorno, " ha detto. " Inoltre non abbiamo visto la clearance polmonare dopo una settimana, quindi quando queste cose sono nei tuoi polmoni stanno lì, e vi rimarranno per un lungo periodo di tempo".

più così, i polmoni danneggiati possono portare a una maggiore suscettibilità a virus o infezioni batteriche, e potrebbe peggiorare i sintomi associati all'asma o alla broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO).

Però, gli effetti esatti di queste nanoparticelle tossiche sugli esseri umani, altri animali, vegetazione, e i sistemi idrici non sono noti e richiedono ulteriori studi da parte di ricercatori internazionali, ha detto Allen.

"Il topo e i polmoni umani sono funzionalmente simili, ma anatomicamente diverso in una varietà di modi sottili, "Allen ha aggiunto. "Mentre gli studi condotti in questo documento sono comunemente utilizzati per modellare i disturbi delle vie aeree nelle persone, sono necessari dati clinici più diretti per comprendere appieno l'impatto umano dell'esposizione a queste nanoparticelle".

Le nanoparticelle di subossido di titanio, chiamate fasi Magnéli dai ricercatori, una volta erano considerate rare, trovato sulla Terra in alcuni meteoriti, da una piccola area di alcune rocce nella Groenlandia occidentale, e occasionalmente nelle rocce lunari. Però, Hochella, lavorando con altri ricercatori nel 2017, scoperto che queste nanoparticelle sono infatti diffuse a livello globale dalla combustione del carbone.

Secondo lo studio precedente, pubblicato su Nature Communications, quasi tutto il carbone contiene piccole quantità dei minerali rutilo o anatasio, entrambi "normali, "naturale, e ossidi di titanio relativamente inerti. Ma quando bruciato, questi minerali si convertono in subossido di titanio. Le nanoparticelle si disperdono nell'aria se la centrale non è dotata di trappole di particelle ad alta tecnologia, come quelli negli Stati Uniti. Per i paesi senza regole rigide, le nanoparticelle possono galleggiare via nelle correnti d'aria localmente, a livello regionale, e anche a livello globale, ha detto Hochella. (Ha aggiunto che gli Stati Uniti hanno iniziato a utilizzare i precipitatori elettrostatici sulle cataste di carbone negli anni '20.)

I primi studi di biotossicità del gruppo di Hochella con embrioni di pesce zebra hanno mostrato segni di impatto biologico negativo dalle nanoparticelle, suggerendo potenziali danni agli esseri umani. Ora, con questo studio, le probabilità di tossicità per l'uomo sono molto maggiori. "Il problema con queste nanoparticelle è che non esiste un modo facile o pratico per prevenire la loro formazione durante la combustione del carbone, " disse Hochella, Illustre professore universitario emerito di geoscienze con il Virginia Tech College of Science, dopo il rilascio dello studio precedente due anni fa.

Hochella e il suo team si sono imbattuti per caso nelle nanoparticelle di subossido di titanio mentre studiavano il movimento a valle di una fuoriuscita di cenere di carbone del 2014 nel fiume Dan della Carolina del Nord. Il gruppo ha successivamente prodotto le stesse nanoparticelle di subossido di titanio durante la combustione del carbone in simulazioni di laboratorio. Questo potenziale pericolo per la salute si basa sui risultati accertati dell'Organizzazione mondiale della sanità:più di 3,3 milioni di morti premature che si verificano in tutto il mondo all'anno a causa dell'inquinamento dell'aria, e solo in Cina, Ogni anno si stimano 1,6 milioni di morti premature dovute a lesioni cardiovascolari e respiratorie dovute all'inquinamento atmosferico.

Ciò solleva molteplici domande:le nanoparticelle vengono assorbite attraverso il corpo con altri mezzi, come il contatto con gli occhi o la pelle? Riusciranno a trovare la loro strada nella vegetazione, incluso il cibo, attraverso il suolo? Se è così, quali sono le implicazioni sul tratto gastrointestinale? Sono presenti nell'acqua potabile? Se un topo subisce danni a lungo termine a sei settimane, cosa rappresenta questo per gli umani che respirano l'aria?

Allen esorta a spostare i test su studi incentrati sull'uomo.

"Abbiamo identificato un inquinante unico nell'ambiente, e abbiamo dimostrato che esiste un potenziale problema di salute per gli esseri umani, in modo che ci dia un biomarcatore che possiamo monitorare più da vicino, ", ha detto. "Dovremmo iniziare a guardare più da vicino queste particelle man mano che diventiamo più consapevoli dei pericoli che queste nanoparticelle rappresentano. Queste sono domande da porsi".

quel percorso, mentre ovvio, potrebbe non essere così semplice, eticamente o politicamente. Gli scienziati non possono esporre i soggetti dei test umani allo smog del carbone o alla cenere e alle nanoparticelle tossiche. Perciò, uno scenario probabile:gli scienziati potrebbero studiare queste particelle nel tessuto polmonare umano da biopsie polmonari e campioni clinici. Però, molti clinici sono stati riluttanti a prendere parte a questo sforzo in molti dei paesi a maggior rischio. Allen ha detto che una delle ragioni potrebbe essere la sensibilità che questi paesi hanno nei confronti dei problemi di qualità dell'aria.