Assessment of the inflamatory potential of inhalable organic aerosols present in an urban atmosphere

Abstract

A matéria particulada (sigla inglesa, PM) é definida como uma suspensão de partículas sólidas ou líquidas num gás (i.e., atmosfera), sendo estas tipicamente classificadas de acordo com o seu tamanho: PM10 (diâmetro aerodinâmico < 10μm), PM2.5 (diâmetro aerodinâmico < 2.5μm) e PM1.0 (diâmetro aerodinâmico <1.0μm). Estas partículas podem ser emitidas diretamente para a atmosfera através de fontes antropogénicas ou naturais, ou formadas in situ na atmosfera através de processos físico-químicos. A PM tem impacto relevante não só em processos atmosféricos e climáticos, mas também na saúde humana, onde se destaca o aumento de risco de doenças pulmonares e cardiovasculares, o aumento de suscetibilidade a infeções, e efeitos carcinogénicos e mutagénicos. Particularmente, ao nível pulmonar, os principais efeitos da PM descritos na literatura incluem a indução de stress oxidativo e da inflamação, podendo levar a danos pulmonares. O conhecimento dos efeitos nocivos das PM para a saúde pública resulta fundamentalmente de estudos realizados com as partículas, sendo a contribuição da fração de matéria orgânica solúvel em água (sigla inglesa, WSOM) pouco abordada. Neste sentido, o presente trabalho procura caracterizar a fração WSOM de PM2.5, recolhida durante o período de outono, e avaliar os seus efeitos em macrófagos. A caracterização estrutural, com recurso à técnica de espectroscopia de ressonância magnética nuclear de protão (RMN 1H), mostra que as amostras WSOM recolhidas no período noturno apresentam um maior conteúdo de estruturas aromáticas e oxigenadas do que as amostras recolhidas no período diurno, com estas últimas a apresentarem maior conteúdo em estruturas alifáticas. Adicionalmente, a caracterização das amostras WSOM com recurso à espectroscopia de RMN bidimensional (2D) permitiu identificar diferentes componentes estruturais e determinar possíveis fontes destas estruturas. Os ensaios biológicos de exposição aguda (24h) de macrófagos às amostras WSOM demonstraram que tanto as amostras diurnas como noturnas induzem um aumento da transcrição da enzima destoxificante Hmox, como das moléculas pro-inflamatórias Il1b, Il6 e Nos2. Observou-se também que os extratos apresentam atividade antioxidante in chemico e in vitro. Em ensaios de exposição prolongada (3 semanas) a concentrações fisiologicamente relevantes observou-se um pequeno aumento na transcrição dos genes estudados. No entanto, verificou-se que estes macrófagos apresentavam uma capacidade limitada de resposta a um agente inflamatório como o Lipopolissacarídeo bacteriano (LPS). De uma forma geral, os resultados obtidos indicam que a exposição prolongada a WSOM presente nas partículas atmosféricas pode provocar um ligeiro estado inflamatório a nível pulmonar, limitando, no entanto, a capacidade de resposta dos macrófagos a agentes invasores, o que pode originar um aumento da suscetibilidade a infeções.

Airborne particulate matter (PM), are defined as solid or liquid particles suspended in a gas (i.e., atmosphere), and are typically distributed in three sizeranges: PM10 (coarse PM, aerodynamic diameter < 10μm), PM2.5 (fine PM, aerodynamic diameter < 2.5μm) and PM1.0 (ultrafine PM, aerodynamic diameter < 1.0μm). These particles can be emitted directly into the atmosphere from both anthropogenic and natural sources, or formed in situ in the atmosphere through physico-chemical processes. The PM plays a significant role in diverse atmospheric and climatic processes, as well as on human health by increasing the risk of cardiovascular and pulmonary diseases, the susceptibility to infections, and having carcinogenic and mutagenic effects. Particularly, in the lungs, the main effects of PM described in the literature include the induction of oxidative stress and inflammation, occasionally leading to lung injury. The knowledge of the harmful effects of PM on public health is fundamentally due to studies carried out with particles, being the contribution of the fraction of watersoluble organic matter (WSOM) largely unknown. Therefore, the present work aims to characterize the WSOM fraction of PM2.5, collected during autumn season, and assess its effects on macrophages. The structural characterization of the WSOM from atmospheric particles, by means of proton nuclear magnetic resonance (1H NMR) spectroscopy, showed that samples collected during the night have higher content of aromatic and oxygenated structures than those collected during the day, with the later exhibiting higher content of aliphatic structures. Furthermore, the structural characterization of the WSOM samples by means of two-dimensional (2D) NMR spectroscopy also allowed the identification of different structural components and the tentative assignment of their sources. The biological assays on the effect of an acute exposure (24h) to the WSOM samples showed that both day and night samples induced an increase in the transcription of the detoxifying enzyme Hmox, and the proinflammatory molecules Il1b, Il6 and Nos2. It was also observed that these extracts present antioxidant activity in chemico and in vitro. In the biological assays of prolonged exposure (3 weeks) at physiologically relevant concentrations, it was observed a small increase in the transcription of the studied genes. However, the obtained data show that these macrophages present a limited capacity to respond to an inflammatory agent such as bacterial lipopolysaccharide (LPS). In general, the obtained results show that a prolonged exposure to WSOM present in atmospheric particles can induce or worsen an inflammatory response at the pulmonary level, leading however, to a limited capacity of response of the macrophages to invading agents which could increase the susceptibility to infections.