Endocrinologia “La scienza degli ormoni non è un capitolo metafisico, ma al contrario uno dei più fisiologici e dei più chimici della medicina…..” (“La science des hormones”, D. Rivoire, 1938) Interferenti endocrini “Un interferente endocrino è una sostanza esogena o una miscela che altera le funzioni del sistema endocrino e causa conseguentemente effetti avversi sulla salute di un organismo integro, o nella progenie o nelle (sub)popolazioni” (OMS) http://e.hormone.tulane.edu/learning/learning.html http://www.epa.gov/scipoly/oscpendo/edspoverview/ primer.htm Nell’adulto i sistemi di omeostasi possono compensare l’alterazione e quindi non si manifestano effetti L’esposizione durante la “programmazione” del sistema endocrino può indurre lesioni permanenti L’esposizione in fasi diverse dello sviluppo può produrre effetti diversi I fenomeni di cross-talk endocrino possono produrre effetti inattesi Asse Ipotalamo-ipofisi-tiroide (HPT) TRH (+) TSH (+) Ormoni tiroidei (T4 + T3) (-) Asse Ipotalamo-ipofisi-ghiandola surrenale (HPA) CRH (+) ACTH (+) Cortisolo (-) Asse Ipotalamo-ipofisi-gonadi (HPG) (+) GnRH (+) GTH (-) Testosterone / Estradiolo Pesticidi/PCBs Inibitori della sintesi Agonisti AhR Antagonisti AR Agonisti ER ATTIVITA’ RIPRODUTTIVA TRIBUTILSTAGNO •Induce IMPOSEX in crostacei e molluschi. IMPOSEX: imposizione di caratteristiche IMPOSEX morfologiche riproduttive di un sesso sull’altro. In genere sovrapposizione di caratteristiche maschili sulle femminili. Incapacità o ridotta possibilità di rilascio delle uova dall’ovaio, soppressione dell’oogenesi (nei casi più gravi) sviluppo di tubuli seminiferi nell’ovaia e spermatogenesi. Studi recenti in Mediterraneo hanno evidenziato la presenza di imposex in Bolinus brandaris (Solè et al., 1998) e in Heraplex trunculus (Martoja e Bouquegneau, 1998; Axiak et al., 1995). Chiavarini et al. (2003) hanno valutato l’imposex in alcune popolazioni di Bolinus brandaris, Thais haemastoma e Heraplex trunculus della Sicilia, riscontrando un imposex diffuso, ad eccezione della riserva marina di Ustica. Stadio Descrizione 0 Femmine senza segni maschili 1 Primi segni di imposex. In genere un pene incipiente localizzato dietro il tentacolo oculare destro 2 Piccolo pene presente, con un dotto penieno sviluppato 3 Pene più grande che allo stadio 2, il dotto penieno continua prossimalmente con una porzione di vasi deferenti. Si ha ancora riproduzione 4 I vasi deferenti raggiungono l’apertura vaginale, la attraversano e corrono nella porzione ventrale della ghiandola capsulare. Il pene ha lunghezza comparabile a quella dei maschi. L’apertura vaginale è immodificata e avviene ancora l’accoppiamento. 5 Vulva assente. Generalmente la ghiandola capsulare è spostata per 2/3 ventralmente, con il lume aperto nella cavità del mantello. Viene impedito il rilascio della capsula delle uova, spesso sono presenti capsule abortite Riscontrano un’ottima correlazione tra TBT e imposex (R2= 0.86) . Lo stadio 3 è generalmente raggiunto per concentrazioni superiori a 20-30 µg/kg e concentrazioni superiori aggravano la situazione. Concentrazioni vicine al limite di sensibilità (1 µg/kg) sono sufficienti ad indurre imposex, anche se a stadi iniziali. La presenza di TBT NON era però strettamente correlata al traffico navale. •Nei maschi riduce l’inattivazione metabolica del testosterone e ne aumenta la conversione in altri androgeni (Rosin e Mason, 1996). 4-nonilfenolo Sostanze di degradazione degli alchilfenoli etossilati (surfattanti non ionici) ad azione estrogenica nei pesci (Jobling e Sumpter, 1993). Nella trota l’esposizione a 4-nonilfenolo induce riduzione della crescita testicolare (Jobling et a., 1996). Induce androgenizzazione metabolica per riduzione della clearance metabolica del testosterone e ad aumento dei suoi derivati androgeni. Induce la sintesi di vitellogenina (VTG), il precursore delle proteine dell’uovo, e di proteine delle zona radiata (Zrp). Questi effetti probabilmente sono dovuti alla interazione con il recettore ER, imitando l’E2. L’induzione del ER è dose dipendente e alla sua attivazione segue la sintesi di VTG e Zrp. L’induzione del recettore era rapida, ma vi è un tempo di latenza tra questo e la comparsa del picco di trascritti. Pare quindi esserci una prova dell’azione agonista del NP nei confronti del recettore ER. GnRH GtH I VTG teca androgeni i en g ro t s e granulosa oocita fosvitina lipovitelline Controllo negativo Carrier vehicle Trattamento 1 NP 10 mg/kg •Prelievo di sangue al giorno 10 e 20 p.t. •Valutazione della VTG con ELISA Controllo positivo E2 5 mg/kg Trattamento 2 NP 25 mg/kg Vitellogenin levels (µg/ml) 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 P.C. 25 mg/kg 400 200 10 mg/kg 0 N.C. 10 days 20 days GRUPPO VTG (µg/ml) 10 days VTG (µg/ml) 25 days CONTROLLO NEGATIVO 0.0132 0.1757 10 mg/kg NP 0.0629 0.4629 25 mg/kg NP 0.1219 717.875 CONTROLLO POSITIVO 1250 1833.888 • A 20 giorni post-trattamento non si osservano effetti in termini di livelli di VTG nei pesci trattati con 10 mg/kg NP •Nei gruppi trattati con E2 e 25 mg/kg NP si osserva un aumento dei livelli di VTG a partire da 10 giorni post-trattamento Materiali e metodi •115 esemplari di Caretta ricoverati presso il C.R.T. di Lampedusa •Sesso ed età difficilmente determinabili Risultati M.W . ♀ ♀ ♀ ♀ ♀ ♀ ♂ ♂ 240KDa 151KDa Conclusioni • Buona cross-reattività dell’anticorpo anti-VTG di C. mydas agasizii per la VTG di C. caretta MA • L’uso di anticorpo policlonale fornisce legami non specifici (il gel è “sporco”) • Possibile conservatività del core della proteina Il monitoraggio eseguito con Caretta caretta dimostra che l’ambiente marino in cui questi esemplari vivono non mostra livelli di inquinanti tali da portare alla comparsa di fenomeni chiari di ED, sebbene una certa attenzione vada posta ai dati relativi ad alcuni soggetti, anche e soprattutto in funzione della salvaguardia della specie. Asse Ipotalamo-ipofisi-tiroide (HPT) TRH (+) TSH (+) Ormoni tiroidei (T4 + T3) (-) Asse Ipotalamo-ipofisi-ghiandola surrenale (HPA) CRH (+) ACTH (+) Cortisolo (-) Asse Ipotalamo-ipofisi-gonadi (HPG) (+) GnRH (+) GTH (-) Testosterone / Estradiolo TIROIDE Gli ormoni tiroidei sono fondamentali per la regolazione di molte attività: •Differenziazione e crescita; •Riproduzione; •Processi metabolici. Gli effetti sono più evidenti nelle specie che depongono uova, perché queste sono ricche di lipidi, quindi si possono accumulare sostanze ad azione di disendocrinia (PCBs, PHAHs). Inibizione del trasporto e dell’utilizzo dello iodio Composti che agiscono a questo livello riducono i livelli di T4 (ne aumentano la frazione libera e quindi la trasformazione in T3), con feed back negativo sulla secrezione di TSH ed iperplasia e ipertrofia tiroidee. Inibizione del legame alle proteine plasmatiche Sintesi di T3 e T4 Incidenza di tumori Le lesioni benigne della tiroide sono indicatori di esposizione a sostanze ad azione disendocrina. PCBs Nei pesci sono in grado di alterare l’indice tiroideo, ma il meccanismo esatto NON E’ ANCORA STATO COMPRESO APPIENO. Negli uccelli e nei mammiferi aumentano il metabolismo e l’escrezione degli ormoni tiroidei e diminuiscono i livelli di T4 circolante. Inducono lesioni alle cellule follicolari FORSE legate alla stimolazione ghiandolare da ridotti livelli di T4. Diossine, furani e PCBs coplanari Si legano al AhR e inducono il CYP1A. Riducono i livelli di TT4 plasmatico ma non del FT4 e del TT3. Modificano la durata della metamorfosi. I furani e i PCB coplanari NON modificano i livelli di T4 e T3, anche se in alcune specie si sono osservate alterazioni della capacità di deiodurazione che FORSE compensa la lesione tiroidea, che porterebbe a ipotiroidismo (da T3). IPA (PAH) Sono poco studiati, ma sembrano in grado di aumentare i livelli di T3, attivare la IP e indurre ipertrofia ghiandolare. Insetticidi organoclorurati (OC) In generale determinano sia per esposizione acuta che cronica alterazioni tiroidee e della produzione di ormoni tiroidei. Il MIREX riduce nei salmonidi i livelli di T3 e T4 ed altera l’istologia della ghiandola. Il DDT riduce l’altezza delle cellule tiroidee, causa una degenerazione dell’epitelio e una deplezione del colloide. Altri OC possono bloccare la sintesi di OT agendo direttamente sulla tiroide o alterando la produzione o il rilascio del TSH. Insetticidi organofosforici (OP) In linea generale riducono la sintesi del TSH e al sua secrezione; inoltre riducono la conversione extratiroidea del T4 in T3. Le concentrazioni reperite a livello ambientale sono in grado di indurre una riduzione dei livelli di T4 e un incremento di quelli di T3. Cianuri I cianuri si sono dimostrati in grado di indurre (se somministrati per via intraperitoneale) una riduzione della captazione dello iodio, anche se non alterano i livelli di T3 e T4. In altri casi riducono i livelli di T4 (sia nei giovani che negli adulti) e di T3(negli adulti). Ammoniaca L’esposizione di Channa punctatus riduce l’attività IP dei reni, i livelli di T4 e l’attività IP tiroidea. Si è anche osservata una diminuzione dell’attività della glutatione perossidasi a livello tiroideo. Metalli Numerosi metalli, bloccando i gruppi tiolici degli enzimi, possono alterare la trasformazione da T4 a T3:Al, As, Cd, Pb, Hg. Farmaci Agiscono a vari livelli: Mezzi di contrasto iodati (IOPROMIDE, DIATRIZOATO) •Deprimono i livelli di T3 •Deprimono la monodeiodurazione del T4 •Riducono al clearance plasmatica di T3 e T4 •Diminuiscono l’affinità di legame del recettore nucleare T3 epatico •Influenzano il trasporto dello iodio (anioni complessi: perclorato, fluoroborato, ecc.) •Modificano la iodurazione del T4 (tionamidi, propiltiouracile, metimazolo, carbimazolo, derivati dell’anilina, ecc.) •Alterano la reazione di accoppiamento della DIT (tionamidi, sulfonamidi) •Variano il rilascio degli ormoni tiroidei (sali di litio) •Deiodurazione periferica (tiouracile, amiodarone) •Escrezione ed inattivazione tramite la competizione per i siti di legame alle proteine plasmatiche o induzione di enzimi epatici metabolizzanti (salicilati, clofibrato, metadone, 5fluorouracile, ecc.) •Azione degli ormoni (analoghi ormonali, amiodarone, fenitoina) I RITARDANTI DI FIAMMA Molecole utilizzate nelle vernici, nelle plastiche, nelle schiume per imbottiture di mobili, nei tessuti, negli apparecchi televisivi, nei computer, in molti polimeri. O BrX BrY I PBDE, i loro metaboliti e i derivati ambientali sono simili al T4 e ai PCBs Cl Br Cl H3C Br O Br O Cl O Cl Br Cl Br Br Cl 2,2',4,4',6-pentabromodiphenylether (PBDE-100) 2,2',4,4',5,5'-hexachlorobiphenyl (PCB-153) Br Br 2-(2',4'-dibromophenoxy)-4,6-dibromoanisol (methoxy-PBDE) Br I O O Br O I Br Br Br HO HO I I OH Br Br Br Br Br Br H2N Thyroxine (T4) O 4-(2',4',6'-tribromophenoxy)-2,6-dibromophenol (hydroxy-PBDE) 2,3,4,7,8-pentabromodibenzofuran (PBDF) Vengono aggiunti, MA NON LEGATI, ai polimeri, per cui nel tempo fuoriescono dalle plastiche e passano nell’ambiente. La disgregazione delle schiume poliuretaniche ad esempio favorisce la dispersione dei PBDE con i frammenti di schiuma. Pur essendo meno resistenti dei PCB (cui assomigliano strutturalmente) alla degradazione ambientale, vi permangono per lungo tempo (fino a diversi anni) andando incontro ad accumulo ambientale. I composti poco bromurati sono più reattivi e vanno maggiormente incontro a biomagnificazione nel tessuto adiposo dell’uomo, nei pesci e in altri animali, in particolare nelle specie acquatiche. Materiale elettrico 3% Trasporti 5% Milioni di Kg/anno (2001) Altro 10% Materiali da costruzione 31% Elettronica 51% PBDEs America Europa Asia DecaDeca- 24.5 7.6 25.9 OctaOcta- 1.5 0.85 1.5 PentaPenta- 7.1 0.15 0.15 Totale 33.02 8.3 24.6 Totale mondiale 67.3 M kg/anno PBDE: utilizzati già dagli anni ’60 Composti utilizzati come additivi caratterizzati da un legame CBr termolabile. Su questo di basa l’azione ignifuga: la scissione del legame C-Br “sottrae” energia termica, rilasciando Br• che si legano ai C•, riducendo le fiamme, il calore e la formazione di CO. Negli animali da esperimento si è osservata induzione del CYP1A1 e del CYP1A2, come testimoniato dall’aumento dell’attività della EROD e di altri enzimi (benzfetamina Ndemetilasi, p-nitroanisol-demetilasi, arilidrocarbonidrossilasi, banzo(a)piren-idrossilasi), che permane fino a 30-60 giorni dopo il termine dell’esposizione. Si è poi osservato una certa attività agonista nei confronti del recettore arilico (AhR), che alcuni ipotizzano possa essere legata alla presenza di impurezze dotate di questa attività ed efficaci già a bassissime dosi (diossine?). Per quanto riguarda le reazioni di fase II, si osserva un’induzione della uridin-difosfato glucuroniltransferasi (UDPGT). BNF 12000 10000 Serie1 Serie2 6000 Serie3 4000 2000 Standard PBDE 0 1 10 100 60 1000 10000 50 40 30 ppm nM 8000 20 AverageValues 10 0 1E-06 1E-05 1E-04 0,001 0,01 -10 -20 -30 0,1 1 10 C9 80 60 T1-13 40 180 20 Serie1 Serie2 Serie3 160 0 0,000001 -20 0,00001 0,0001 140 0,001 0,01 0,1 120 100 Serie1 Serie2 Serie3 -40 80 -60 60 40 20 0 0,000001 -20 0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1 T1-14 400 0,000E+00 0,000001 200 0 0,000001 0,00001 0,0001 0,001 0,01 -5,000E+02 0,1 0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 1 -200 -1,000E+03 -400 -600 -800 Serie1 Serie2 Serie3 -1,500E+03 Serie1 Serie2 Serie3 2000 -2,000E+03 -1000 1500 -1200 -2,500E+03 1000 -1400 -3,000E+03 500 -1600 Serie1 Serie2 Serie3 0 0,000001 -500 -1000 -1500 C9 0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 T2-20 I PBDE necessitano di metabolizzazione per attivarsi, ma comunque non sembrano avere alcuna attività agonista nei confronti del recettore arilico, almeno nel modello utilizzato. I valori di pendente ottenuti sono infatti inferiori a quelli ottenuti con concentrazioni di naftoflavone inferiori alla EC10, equivalenti al limite di detection. Considerazioni analoghe possono essere fatte per quanto riguarda le prove di antagonismo: le differenze osservate sono infatti troppo ridotte per poter essere considerate significative. L’attività antagonista “border line” POTREBBE essere dovuta anche ad un’alterazione della molecola a seguito dei procedimenti estrattivi. La molecola perderebbe quindi parte della sua affinità per il recettore. Necessario quindi effettuare prove con preattivazione della molecola in vitro, per ridurre o verificare questa possibilità. Problemi tossicologici legati ai PBDEs Interferenza endocrina – Effettti estrogenici e sulla tiroide Developmental effects – Cervello e organi riproduttivi Probabile cancerogenesi – Iniziato studi a lungo termine sui Penta – Conversione ambientale a diossine/furani Diossine/furani bromurati ritrovati nell’uomo Alterazione degli ormoni tiroidei Buona evidenza nel ratto e nel topo Alcune evidenze nell’uomo Potenza relativa penta-BDE > octa-BDE >>> deca-BDE Effetto additivo con co-esposizione a PCBs Possibili meccanismi – – Attività ormono-simile (legame alla transtiretina) Induzione dell’enzima UDGPT (↑ escrezione T4) T4 0,5 0,4 0,2 C 0,1 T1 0 T2 -0,1 0 -0,2 1 2 3 4 * 5 6 * T3 -0,3 4 3,5 3 2,5 ng/dl µg/dl 0,3 C 2 T1 1,5 T2 1 0,5 * 0 0 1 2 3 4 5 6 La riduzione del T4 nel gruppo trattato con le concentrazioni più alte è stata osservata anche nel ratto trattato con una miscela di penta BDE (Fowles et al., Toxicol., 86: 49-61, 1994) Considerando anche l’importanza degli ormoni tiroidei per lo sviluppo delle specie ittiche, risulta fondamentale studiare più approfonditamente gli andamenti degli stessi, considerando: •Tempi più lunghi di esposizione; •Un set più ampio di ormoni (non solo T3 e T4, ma anche TSH, FT3 e FT4) Effetto estrogenico Esposizione postnatale di ratti al PBDE-99 altera l’espressione dei geni regolati dagli estrogen (Lichtensteiger et al., 2003) – Prostata: recettore degli androgeni, degli estrogeni ER-α and ER-β, insulin-like growth factor (IGF-I) – Cervello: recettore del progesterone, ER-α estrogenica in vivo non prevedibile dai test in vitro. Attività – PBDE-99 hanno bassa attività estrogenica nelle cellule MCF-7. Tossicità per lo sviluppo Sistema nervoso – Comportamento, capacità di apprendimento e memoria alterata nel topo – Perdita dell’udito nel ratto – Effetti permanenti, i.e., misurati nell’adulto – Effetti additivi con co-esposizione a PBDE e PCB Sistema riproduttivo maschile: – Pubertà ritardata – Aumento del peso della prostata ventrale e della vescica seminale Sistema riproduttivo femminile: – Pubertà ritardata – Alterazione della struttura cellulare ovarica Minutes **p<0.01 Viberg et al., 2002 Gli effetti, misurati nell’adulto, peggiorano con l’età. Stesso schema visto con molti PCBs neurotossici. Usati come ritardanti di fiamma in vari prodotti plastici. Presenti anche in polistirene, poliuretano e tessuti. Volatilizzazione e dilavamento PBDE (ng/g lipid) Time-trend: PBDEs in Blubber of California Seals (She et al., 2002) 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 89 / 01 / 01 N=11 91 / 01 / 01 92 / 31 / 12 94 / 31 / 12 96 / 30 / 12 98 / 30 / 12 PBDEs in Columbia River Whitefish From Genelle, British Columbia 80 70 60 50 Sum PBDE (ng/g fresh weight) 40 30 20 10 0 1992 1995 2000 Rayne et al. (2003) Environ Sci Technol 37(13):2847-54. ng/g lipid PBDEs nelle trote del lago Ontario (1978 1998) 1000 800 600 400 200 0 1978 1983 1988 Year 1993 1998 PBDEs nelle uova di gabbiano- Great Lakes 0.7 0.6 0.5 1.6 Snake Island Lake Ontario 0.4 0.3 1.2 p<0.0001 t2=3.72 y 0.8 0.2 Gull Island Lake Michigan p<0.0001 t2=2.97 y 0.4 0.1 0 1980 1985 µg/g fresh wt. 1990 0.8 0.6 0.4 1995 0 2000 1980 1985 1990 Ch. Shelter Island Lake Huron 1985 1990 2000 Graph from M. Alaee (2002) p<0.0001 t2=4.95 y 0.2 0 1980 1995 1995 2000 PBDEs nel latte umano - Svezia (Norén and Mieronyté, 1998) PBDEs nel grasso del latte PBDE in milk fat - Puget Sound mothers 175 156 ppb in M ilk Fat 150 117 125 126 100 75 50 25 13 13 13 1 2 3 50 56 5 6 26 0 4 Sample Number (adapted from Northwest Environmental Watch, 2004) 7 8 9 PBDEs – normativa internazionale Europa Vietati - Penta e octa-PBDE Deca-PBDE usati nell’elettronica (maggiormente i deca) I deca saranno vietati dal 2006 In America l’EPA e i produttori chimici sono giunti ad un accordo per eliminare i Penta e gli OctaPBDE per la fine del 2004 I Deca-PBDE nei prodotti elettronici (80% dell’uso commerciale) – nessun accordo