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XENOBIOTICI NEL LATTE ED ATTIVITA’
NEUROENDOCRINAGemma Calamandrei
Dipartimento di Biologia cellulare e Neuroscienze,Istituto Superiore di Sanità,
Roma
ISS, Roma, 21-22 giugno 2007
Il latte e i prodotti derivati dal latte rappresentano la componente
principale dell’alimentazione del bambino nei primi anni di vita
- Latte materno- Latte in formula e latte vaccino
- Yogurt
L’ OMS raccomanda
• allattamento al seno esclusivo per i primi 6 mesi
• continuare ad allattare, con l’aggiunta di altri alimenti fino a due anni ed oltre.
Risoluzione dell’Assemblea Mondiale della Sanità 54.2 (2001)
Allattamento al seno in Italia
prime 48 ore 85% 91%dimissione 83% 89%3 mesi 42% 66%6 mesi 19% 47%9 mesi 10% 25%12 mesi 4% 12%
19991995
esclusivo alla dimissione
70% 77%
Giovannini M et al., Acta Paediatr. 2003; 92(3):357-63
EFFETTI BENEFICI DELL’ALLATTAMENTO AL SENO
• nutrizionali• immunologici• endocrinologici• neurologici
Cosa c’è di buono nel latte materno?
• Nutrienti (carboidrati, proteine, grassi, minerali, vitamine, elementi in tracce)
• Enzimi con funzioni anti-infettive, digestive, funzioni legate all’assimilazione dei nutrienti, ecc.
• Anticorpi ed altri fattori immunitari che mancano al neonato
• Citochine ed altri agenti anti-infiammatori• Fattori di crescita• Ormoni
Enteric and Respiratory PathogensCommonly Targeted By
Secretory IgA Antibodies in Human MilkEnteric
• Bacteria, Toxins, Virulence FactorsClostridium difficile, Escherichia coliSalmonella sppShigella sppVibrio cholerae
• ParasitesGiardia lamblia
• VirusesPoliovirusesRotaviruses
• BacteriaHaemophilus influenzaeStreptococcus pneumoniaeKlebsiella pneumoniae
• VirusesInfluenza virusesRespiratory syncytial virus
• Fungi Candida albicans
• Food ProteinsCow's milkSoy
Respiratory
Fattori di crescita e ormoni nel latte materno
• Epidermal Growth Factor (EGF)• Insulin-like Growth Factor (IGF-I;IGF-II)• Nerve Growth Factor (NGF)• Transforming Growth Factor (TGF)• Prolattina• Corticosterone• Insulina
Agenti ad attività anti-infiammatoria nel latte materno
• Antiossidanti (scavengers dei radicali)• Enzimi antiproteasici• Prostaglandine (citoprotezione, riparazione
del danno cellulare)
Sistema nervoso
Sistema immunitario Sistema endocrino
Latte materno come sistema biologicoche garantisce l’omeostasi neuroimmunoendocrina
L’allattamento al seno ècorrelato con
• Ridotta mortalità infantileesempi: Brasile, Pakistan e Filippine; USA
• Ridotto rischio di malattie infettiverespiratorie, gastrointestinali (e.g enterocolite necrotizzante)
• Ridotto rischio di malattie croniche (diabete tipo I, celiachia, cancro, morbo di Crohn)
• Migliore sviluppo cognitivo
EFFETTI DELL’ALLATTAMENTO AL SENO SULLO SVILUPPO NEUROPSICOLOGICO
Ruolo degli acidi grassi poliinsaturi a catena lunga (in moltiaggiunti al latte in formula)> Studi su larga scala hanno mostrato che i neonati allattati al seno hanno punteggi QI più elevati durante l’infanziae all’adolescenza (Quinn et al., 2001)> Ma quando questi dati vengono corretti in base alle variabili sociodemografiche gli effetti dell’allattamento al seno sul QI diventano meno evidenti (Jain et al., 2002)
In generale, l’allattamento al seno, soprattuttose prolungato, sembrerebbe segnalare unamigliore qualità della relazione parentale
EFFETTI NEUROPSICOLOGICIDELL’ALLATTAMENTO AL SENO
NEI NEONATI PREMATURI
L’alimentazione al seno influisce significativamentesulla maturazione neurologica e comportamentale del pretermine
Fattori psicobiologici
Fattori nutrizionali Fattori psicologici
Come l’allattamento influenza lo sviluppo cognitivo
La suzione ma anche il contatto fisico tra madre e neonato stimolanoil rilascio di ossitocina dall’ipofisi posteriore. Oltre a stimolare la produzione di latte l’ossitocina ha effettisul comportamento materno (minore incidenza depressione postparto)
Nel latte materno oltre a sostanze con effetti benefici sullo sviluppo del neonato si trovano xenobiotici di diversa natura
Valutazione rischio/beneficio
Molte di queste sostanze possono avere effetti avversi sullo sviluppo di
organi e sistemi, alterando gli equilibri neuroimmunoendocrini in
fasi critiche di maturazione
Contaminanti chimici presenti nel latte materno
Inquinanti Organici Persistenti (POPs)• Pesticidi Organoclorurati
(OC), e.g. DDT, Dieldrin, Heptachlor
• Bifenili Policlorurati (PCB)• Diossine e Furani• Polibromodifenileteri (PBDE)
Altri pesticidi• Organofosforici
Metalli • piombo• mercurio
Solventi
Altri?
Contaminanti organici policlorurati: 1) biomagnificazione
hanno la capacità dirisalire la catena alimentare, giungendo finoall’uomo.
Il lattante si colloca al livello più alto dellacatena alimentare
Biomagnificazionearricchimento esponenzialedi un contaminante nellacatena alimentare
2) Bioaccumuloarricchimento di una sostanza negli organismi attraverso qualunque via (respirazione, ingestione cibo, contatto).
branchia,
foglia,
superficie
respiratoria
Accumulo Nel tessuto adiposo
fluidi
circolanti
metabolismo
escrezione
tratto
gastro-
intestinale
dieta
respirazione
altre vie
Accumulo di xenobiotici potenzialmente tossici nel tessuto adiposo dei mammiferi
• Il latte, sia materno che vaccino, ha un’elevata composizione lipidica.
• Si calcola che il 90% dell’esposizione umana non occupazionale derivi da alimenti di origine animale.
• Di questo 90%, circa il 30% viene dal latte e dai prodotti derivati
DIOSSINE
2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-diossina: il composto più tossico del gruppo (TCDD)
Con questo termine si indicano 75 congeneri delle policlorodibenzo-p-diossine (PCDD), caratterizzati da forte persistenza e grande capacità di penetrare nelle catene alimentari ed alcuni dei quali dotati di elevata tossicità. Non hanno utilità pratiche, ma si formano come prodotti secondari di reazioni industriali o di combustioni. Possono inquinare il tereno e l’acqua ed entrare nella catena alimentare
O
O
ClyClx
Altri contaminanti presentano un’azione tossica simile a quella delle diossine, e per questo sono chiamati diossino-simili; fra questi vi sono i policlorodibenzofurani (PCDF), ed alcuni policlorobifenili (PCB).
PCDF
O
ClyClxortho
meta
para
X
XX
XXX
X X XX
1
23
4
5 61'
2' 3'
4'
5'6'
X = Cl o H
PCB (non-ortho)
FATTORI DI EQUIVALENZA TOSSICA (TEF) E DETERMINAZIONE DEI 2,3,7,8-TCDD EQUIVALENTI
Le diossine ed composti diossino-simili vengono rilevati come miscele complesse; inoltre non tutti i congeneri sono tossici o lo sono alla stessa maniera. Per permettere il confronto dei dati, i risultati analitici vengono espressi come tossici equivalenti che fanno riferimento alla 2,3,7,8-TCDD. Moltiplicando la concentrazione dei singoli congeneri di PCDD, PCDF e PCB per il relativo fattore equivalente (TEF), è possibile calcolare i 2,3,7,8-TCDD equivalenti (TEQ), applicando la seguente equazione:
TEQ = Σ (PCDDi x TEFi) + Σ (PCDFi x TEFi) + Σ (PCBi x TEFi)
Latte materno nella popolazioneInuit del Quebec, Canada:a un anno di vita un bambino allattato al seno avrà un contenuto corporeo medio di composti diossino-simili 6 volte piùelevato di un bambino non allattato al seno (44 ppt TEQ/g lipidi vsbody burden adulto di 25 ppt TEQ/g lipidi)
Lorber & Phillips, EHP, 110 (6), 2002
Cosa c’è nel latte vaccino
• Il latte vaccino contiene ormoni steroidi quali estradiolo e testosterone, e peptidi ormonali quali il fattore di crescita insulino-simile 1 (IGF-1).
• Calcio e proteine , protezione da osteoporosi• Ma anche contaminanti, in particolare POPs
Concentrazioni POPs (pg/g di grasso) nel burro in diversi paesi europei (2003)
Concentrazioni POPs nel latte vaccino in commercio in Belgio (2005)
Tutti i contaminanti presenti nel latte possono avere effetti tossici
anche a livelli di concentrazione al di sotto del TDI (tolerable daily intake) stabilito
dall’UE in 1-4 pg TEQ/kg bw/day
Effetti additivi tra esposizione in utero ed esposizione attraverso l’allattamento e la
dieta?
I bambini sono più vulnerabili?La loro dieta li rende più esposti?
perturbazione di molteplici processi maturativi nel sistema
nervoso, endocrino, immunitario
Contaminanti ambientali: esposizione protratta e a basse dosi
effetti funzionali differenti indotti dallo stesso agente
Effetti di PCDD, PCDF, PCB
cloracne, iperpigmentazione cutaneaEpatotossicitàImmunotossicitàCancerogenicità: 2,3,7,8-TCDD classe 1 IARCinterferenze sul sistema endocrino
Per le loro capacità di penetrare nelle reti alimentari, la tossicità e l’elevata persistenza, la produzione e l’utilizzo di questi composti è stato regolamentato dalla Convenzione di Stoccolma
Sistema endocrino
• Il sistema endocrino controlla la maturazione, lo sviluppo, la crescita e la regolazione dell'organismo. È composto da ghiandole (come la pituitaria, il pancreas, le surrenali, i testicoli) e di ormoni, che sono i messaggeri chimici naturali. Le ghiandole endocrine secernono precise quantità di questi messaggeri chimici nel torrente circolatorio. Gli ormoni raggiungono differenti distretti dell'organismo e si legano a specifici recettori allo scopo di controllare e regolare molte funzioni vitali.
Gli agenti con attività di interferentiendocrini possono alterare il legame dell’ormone naturale con il propriorecettore sulle cellule bersaglio attraverso diversi meccanismi:mimano l’azione dell’ormone,bloccano il recettore o le proteine di trasportodell’ormone stesso impedendo la correttastimolazione ormonale in momenti criticidello sviluppo di organi e sistemi
Interferenti endocrini: comeagiscono?
Policlorobifenili (PCB)Effetti endocrini:• Alterazione dello sviluppo sessuale • Endometriosi • Alterazione delle funzioni tiroidee e
immunitarie
Effetti neurocomportamentali:- diretti - sul sistema nervoso- indiretti - tramite il sistema endocrino
Effetti neurocomportamentalidell’esposizione ai PCB durante
lo sviluppoUSA: studi di follow-up su diverse coorti di bambini nati
da madri che consumavano pesce con elevato contenuto di PCB durante la gravidanza e l’allattamento:
- Esposizione prenatale e postnatale valutata mediante la misurazione dei livelli di PCB (diversi congeneri) nel sangue del cordone ombelicale e nel latte materno
- Valutazione dello sviluppo neuropsicologico attraverso batterie di test che saggiano differenti competenze comportamentali alle diverse età
Concentrazioni di PCB e altri contaminanti nel latte materno e nel sangue del cordone ombelicale
Risultati concordanti nelle diverse coorti di bambini studiate:
correlazione negativa tra la concentrazione di PCB nel sangue del cordone e indici neuropsicologici a diverse età
Jacobson and Jacobson, 1996, N Engl J Med: difficoltàcognitive, attenzionali e nella lettura all’età di 11 anni che correlavano significativamente con i livelli di PCB nel sangue del cordone ombelicale
Stewart et al., 2000, Neurotoxicol Teratol: rallentamento dei riflessi alla nascita, a 6 e 12 mesi di vita inferiori prestazioni di memoria visiva, effetti che correlavano significativamente con le concentrazioni di PCB nel sangue del cordone.
Stewart et al., 2003, Neurotoxicol Teratol
PCBs: PERVASIVE DEVELOPMENTAL EFFECTS
Infant– Birth weight – Head circumference – Gestational age– Performance on Brazelton Neonatal
Behavioral Assessment (BNBA) - motor immaturity, poor lability, startle
PCBs: PERVASIVE DEVELOPMENTAL EFFECTSEarly Childhood
– Memory, attention, verbal ability, information processing
– Psychomotor development– Sustained activity, high level play– Withdrawn, depressed behavior– Hyperactivity
Preteen– Word and reading comprehension– Full scale and verbal IQ– Memory and attention
Olanda -Patandin et al., 1999, J Pediatr: valutazione a 3, 7, 18, 42 e 84 mesi di età di sviluppo neurologico e posturale, maturazione psicomotoria, cognitiva e sviluppo del linguaggio. Effetti negativi delle concentrazioni più elevate di PCB/diossine soprattutto nel sangue materno e in quello del cordone.
Effetti neurocomportamentali dell’esposizione ai PCB durante lo sviluppo: studi europei
Germania - Winneke et al.,1998, Toxicol Lett: correlazione significativa traPCB (tre congeneri) nel sangue del cordone e in campioni di latte materno,e punteggi ottenuti dai bambini nella batteria di valutazione dello sviluppo infantile di Bailey.
Great Lakesfish eaters
Midwest andNortheast US women
Michigan mothers
PCB BLOOD LEVELS
(ppb)
REPORTED HUMAN
EXPOSURES
REPORTED HEALTH EFFECTS
5
10
15
20
0
Wisconsin womenNorth Carolina mothers
Great Lakesnon-fish eaters
Dutch mothers
PCBs: Inadequate Margin of Safety
Decreased reflexes, memory, IQ,attention, & visual discrimination
Decreased attention, cognitive ability,high level play, & psychomotor development; Increased withdrawn/depressed,increased hyperactivity.
IN OFFSPRING
Meccanismi di neurotossicitàdi PCB e diossine
1- Direttamente su neuroni e glia attraverso recettore arilico: alterazione omeostasi del Ca2+ e della sequenza di eventi intracellulari Ca-dipendenti
2- Interferenza con le funzioni endocrine: sviluppo della tiroide e azione estrogeno-simile.
PRINCIPALI TAPPE DELLO SVILUPPO CEREBRALE
Protratto periodo di organogenesi (dal concepimento all’adolescenza)
-comparsa della placca neurale (15-17 giorni dal concepimento) -formazione del tubo neurale (26° giorno)-proliferazione cellulare e migrazione dal lume del tubo neuraleverso le sedi definitive-primo abbozzo degli emisferi cerebrali (fine del 1° mese)-comparsa della struttura cellulare stratificata della corteccia (2° mese)-fine della fase proliferativa (5°/6° mese)-differenziazione dei neuroni (crescita dei prolungamenti dendritici e assonali)
-sinaptogenesi-eliminazione delle sinapsi soprannumerarie (morte cellulare programmata)-mielinizzazione (fino al termine dell’adolescenza)
Sviluppo degli emisferi cerebrali
Sviluppo delle connessioni tra neuroni nella corteccia cerebrale
1 mese 3 mesi 2 anni
Processo di maturazione modulato da ormoni steroidi e tiroidei
Fattori che regolano l’ontogenesi del sistema nervoso
• Genetici: espressione sequenziale di geni che determinano il destino del singolo neurone (assemblaggio)
• Ambientali: regolano le connessioni tra neuroni, ossia sinaptogenesi e morte programmata (pe fattori neurotrofici e ormoni). Stimoli sensoriali (visivi, acustici, olfattivi, ecc.) che conducono alla progressiva specializzazione di aree e strutture cerebrali
Gli ormoni sono importanti regolatori dello sviluppo cerebrale nel periodo fetale e
postnatale
• controllano la proliferazione gliale e neuronale
• regolano la migrazione dei neuroni• modulano la sinaptogenesi e i processi
più tardivi di mielinizzazione
PCB/diossine e funzione tiroidea• I PCB, diossine ed ormoni tiroidei T3 e T4
presentano una struttura stereochimica simile• PCB e diossine si legano sia al recettore arilico
Ah che ai recettori per gli ormoni tiroidei, e competono per il sito di legame con le serumcarrier proteins per gli ormoni tiroidei
• L’esposizione di ratte gravide al PCB Aroclor1254 induce nella progenie una marcata riduzione dei livelli di T4 sia nel plasma che a livello cerebrale
PCB/diossine e funzione tiroidea, II
• T4 ha un ruolo determinante nella maturazione del SNC, e una riduzione dei livelli circolanti e tissutali di questo ormone in fasi critiche dello sviluppo fetale e neonatale può avere effetti a lungo termine sul comportamento dell’individuo
• Evidenze su alterazioni tiroidee in neonati esposti PCB non conclusive
Disponibilità di ormoni tiroidei durante lo sviluppo prenatale/neonatale
in relazione alla maturazione del SNCConception 12wks Birth 2yrs
Fetal/neonatal TH
Maternal TH
Cerebral neurogenesis, migration
Cerebral neurogenesis
Neuronal differentiation, synaptogenesis
gliogenesis
myelinogenesis
La sinaptogenesi delle cellule piramidali dell’ippocampo è regolatadagli ormoni tiroidei
Gli ormoni tiroidei regolano positivamente (trascrizione del gene + aumenti livelli NGF) i livelli dell’ormone di sintesi del neurotrasmettitore acetilcolina(ChAT) e favoriscono lo sviluppo della connessione setto-ippocampale
Nuclei colinergici del prosencefalo basale
Olfactory bulb
to frontal
to parietal to temporal
hippocampus
NBMMSVDB
HDB amygdala
- regolano le funzioni cognitive e attenzionali- modulano la morfogenesi della corteccia
NGF T3
Ruolo degli ormoni steroidei nello sviluppo del sistema nervoso centrale
• recettori per gli estrogeni diffusi in molte aree del SNC con rapido incremento attorno alla nascita
• ruolo determinante nel differenziamento sessuale ma anche regolatori della crescita neuronale attraverso meccanismi genomici e non genomici
• recettori per gli estrogeni colocalizzano con il recettore a bassa affinità per il NGF nei neuroni colinergici del setto mediale
Estrogeni come neurotrasmettitori che regolanola plasticità sinaptica
Ormoni steroidi e tiroidei comemodulatori dello sviluppo cerebrale, maanche regolatori della omeostasi neuroendocrinadurante il corso della vita
Estrogeni e plasticità sinaptica(proteggono dalla neurodegenerazione)
Regolazione dei comportamentiriproduttivi nell’età adulta
Ormoni tiroidei e steroidiinfluenzano stati affettivi (depressione)
Ipotalamo come integratore neuroendocrinocontrollo dei comportamenti riproduttivi, della
risposta allo stress, degli stati affettivi
Regolazione ipotalamica delle funzioni neuroimmuno endocrine: integrazione dell’azione
degli ormoni steroidi, tiroidei e di neuropeptidi come ossitocina, vasopressina, etc
L’interferenza con l’azione degli ormoni durante lo sviluppo può avere conseguenze permanenti non solo su parametri riproduttivi (fertilità) e sulla vulnerabilità a tumori dell’apparato riproduttivo, ma anche sui comportamenti complessi (cognizione,affettività) e in generale sulla vulnerabilità a patologie del sistema nervoso centrale (p.e. patologie neurodegenerative)
Esiste una fase critica di suscettibiltàai contaminanti organici persistenti?
Attraverso l’allattamento vengono trasferite al bambino quantità più elevate di contaminanti lipofilici di quanto avvenga in utero
-Tuttavia nel caso dei PCB i deficit nella crescita e nelle funzioni motorie e cognitive sono stati osservati solo in seguito ad esposizione transplacentare, anche quando il latte materno era significativamente contaminato.-Studi animali confermano che gli effetti avversi sullo sviluppo neurocomportamentale si verificano per esposizioni PRENATALI
L’ALLATTAMENTO E’ UNMODIFICATORE DI EFFETTI
A parità di concentrazioni di contaminanti (PCB/diossine) nel sangue del cordone, i bambini non allattati al seno sono più vulnerabili di quelli allattati al seno agli effetti avversi sullo sviluppo neurocomportamentale (Jacobson & Jacobson, 2002)Ovvero i benefici dell’allattamento al seno sono di gran lunga maggiori dei rischi!
Effetti neurocomportamentali dei PCB:Prospettive di ricerca per una corretta
valutazione del rischio• L’esposizione critica è solo quella prenatale ?• Sinergia con MeHg e diossine• Meccanismi di neurotossicità?• Studi animali suggeriscono effetti su parametri
non cognitivi: quali parametri comportamentali analizzare nei bambini a rischio?
• Follow-up fino alla pubertà!• Quali congeneri sono i più tossici?
Scenario reale: esposizione protratta e a basse dosi durante tutto il corso dello sviluppo pre e postnatale
perturbazione di molteplici processi maturativi nel sistema nervoso, endocrino, immunitario
• Nella maggioranza dei casi, l’esposizione ai contaminanti organici persistenti in corso di
sviluppo non induce malformazioni evidenti, ma danni “sottili” che provocano alterazioni dell’asse
neuroendocrino e dei comportamenti da questo regolati, che si manifestano in una fase di sviluppo
successiva, fino all’età adulta
L’ORGANISMO CRESCE NEL PROPRIO DEFICIT!
problemi metodologici: valutazione degli effetti
• Possibili lunghe latenze tra esposizione ed effetto
• effetti sottili, difficili da evidenziare
• ampia variabilità del “normale” in molti degli effetti di interesse
• ampia gamma di possibili effetti (e.g capacitàmotorie, linguistiche, cognitive eccet.)
problemi metodologici: valutazione degli effetti
• numerosi fattori confondenti che possono agire da modificatori di effetti: - altri contaminanti (esposizioni multiple) - fattori genetici- fattori socioculturali (e.g ambiente domestico)- fattori di salute- età della madre- parità
Come valutare il rischio?1- Monitoraggio
• Monitoraggio della qualità del latte materno, del latte vaccino e dei prodotti derivati
• Studi prospettici per determinare tassi di decrescita in concentrazioni dei contaminanti durante l’allattamento
• Comparazione dei livelli di contaminanti nel latte materno con quelli presenti nei latti in formula e nel latte vaccino
2-Quali altri fattori considerare
• Abitudini alimentari e stile di vita della madre
• Livelli e tipi di residui di contaminanti nel latte materno
• Grado di tossicità dei contaminanti• Effetti additivi o sinergici tra le varie
classi di contaminanti• Livello dei residui nell’acqua, nei latti in
formula e negli alimenti per bambini
COME RIDURRE IL RISCHIO?•Data la persistenza di molti contaminati nell’organismo,una modifica delle abitudini alimentari della donna in gravidanza potrebbe non essere sufficiente a proteggere il feto e il neonato Tuttavia va segnalato alle donne che la dieta può contribuire a ridurre il “body burden” materno e quindi a ridurre il rischio per il feto e il neonato.
1) Alimentazione variata e riduzionedel consumo di grassi animali2) Misure globali di riduzione nellaproduzione di contaminanti potenzialmente tossici
Il banning è efficace (II)
Heptacloro nel latte materno, Canada 1967-1992
Il banning è efficace (III)
PCB nel latte materno, Canada 1967-1992
Il banning è efficace (I)
Dieldrina nel latte materno, Canada 1967-1992
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Year
PB
DE
(ng/
g fa
t)
0
20
40
60
80
100
120
TEQ
(pg/
g fa
t)
PBDETotal TEQ (PCDD/PCDF/PCB)
Organohalogen Compounds in Breast Milk in Sweden
Il banning è efficace, ma ecco che...
What is to be considered safe?Mercury: Declining Threshold of Harm
20001990198019700.01
0.1
1
10
100
YEAR
Level associated withharmful effectRegulatory standard (maximum safe exposure or highend exposure from allowed fishcontamination)
FDA WHO
EPA
ATSDRDA
ILY
INT
AK
E(m
icro
gram
s/kg
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