L’acetilcolinesterasi come biomarcatore nella medicina ambientale e occupazionale: New Insights and Future Perspectives
Abstract
L’acetilcolinesterasi (AChE) è un enzima chiave nel sistema nervoso. Termina gli impulsi nervosi catalizzando l’idrolisi del neurotrasmettitore acetilcolina. Come bersaglio molecolare specifico dei pesticidi organofosfati e carbammati, l’attività dell’acetilcolinesterasi e la sua inibizione sono state riconosciute per essere un marcatore biologico umano di avvelenamento da pesticidi. La misurazione dell’inibizione dell’AChE è stata sempre più utilizzata negli ultimi due decenni come biomarcatore degli effetti sul sistema nervoso in seguito all’esposizione a pesticidi organofosfati e carbammati nella medicina occupazionale e ambientale. Il successo di questo biomarcatore deriva dal fatto che soddisfa una serie di caratteristiche necessarie per il successo dell’applicazione di una risposta biologica come biomarcatore nel biomonitoraggio umano: la risposta è facile da misurare, mostra un comportamento dose-dipendente all’esposizione all’inquinante, è sensibile e mostra un legame con gli effetti avversi sulla salute. Lo scopo di questo lavoro è quello di rivedere e discutere le recenti scoperte sull’acetilcolinesterasi, compresa la sua sensibilità ad altri inquinanti e l’espressione di diverse varianti di splice. Queste intuizioni aprono nuove prospettive per l’uso futuro di questo biomarcatore nel monitoraggio della salute umana ambientale e professionale.
1. Introduzione
I marcatori biologici (biomarcatori) sono stati inizialmente definiti come “alterazioni cellulari, biochimiche o molecolari che sono misurabili in mezzi biologici come tessuti, cellule o fluidi umani”. Più recentemente, la definizione include caratteristiche biologiche che possono essere oggettivamente misurate e valutate come indicatori di processi biologici normali, processi patogeni, o risposte farmacologiche a un intervento terapeutico.
I biomarcatori sono strumenti utili in una varietà di campi, compresa la medicina, la salute ambientale, la tossicologia, la biologia dello sviluppo e la ricerca scientifica di base. Negli ultimi due decenni è stato registrato un crescente interesse verso i biomarcatori nella medicina occupazionale e ambientale, come osservato nella Figura 1, dove è riportato il trend del numero di articoli pubblicati in questi campi negli ultimi 20 anni. L’interesse per i biomarcatori nella medicina occupazionale e ambientale è parallelo allo sviluppo del biomonitoraggio umano che è definito come la misurazione ripetuta e controllata di sostanze chimiche o biomarcatori in fluidi, tessuti o altri campioni accessibili da soggetti attualmente esposti o che sono stati esposti in passato o che saranno esposti a fattori di rischio chimici, fisici o biologici nel luogo di lavoro e/o nell’ambiente generale. Il biomonitoraggio umano è uno strumento prezioso nella stima dell’esposizione di popolazioni selezionate e attualmente utilizzato in programmi di sorveglianza in tutto il mondo.
Numero di articoli pubblicati negli ultimi 20 anni. La ricerca è stata effettuata su Scopus utilizzando due query di ricerca, rispettivamente: (1) “biomarcatore*” e “medicina del lavoro”, (2) “biomarcatore*” e “medicina ambientale” (Scopus, aprile 2013).
I biomarcatori utilizzati nel monitoraggio della salute umana ambientale e professionale possono essere distinti in tre classi: biomarcatore di esposizione, effetto e suscettibilità. I biomarcatori di esposizione comportano la misurazione del composto genitore, dei metaboliti e riflettono la dose di esposizione. I biomarcatori di effetto sono un’alterazione biochimica, fisiologica e comportamentale misurabile all’interno di un organismo che può essere riconosciuta come associata a un danno alla salute stabilito o possibile o a una malattia. I biomarcatori di suscettibilità indicano una capacità intrinseca o acquisita di un organismo di rispondere a un’esposizione specifica.
Negli ultimi due decenni una varietà di biomarcatori è stata utilizzata per studiare le popolazioni di lavoratori, e questi studi hanno contribuito a diversi livelli al miglioramento della salute sul lavoro. Sulla base di questo successo c’è una continua necessità di sviluppare e applicare i biomarcatori come strumenti utili per fornire un rilevamento in tempo reale dell’esposizione a sostanze pericolose sul posto di lavoro e nell’ambiente generale.
Uno dei primi biomarcatori caratterizzati nell’esposizione ambientale umana è rappresentato dall’inibizione dell’enzima acetilcolinesterasi (AChE) come biomarcatore dell’effetto sul sistema nervoso in seguito all’esposizione complessa a composti organofosforici.
Il presente lavoro mira a rivedere e discutere i recenti risultati su questo biomarcatore in relazione all’uso attuale e futuro nel monitoraggio della salute umana ambientale e professionale.
2. AChE: caratteristiche generali
AChE appartiene alla famiglia delle colinesterasi (ChE), che sono idrolasi specializzate in esteri carbossilici che scompongono gli esteri della colina. La classe delle colinesterasi comprende l’AChE che idrolizza il neurotrasmettitore acetilcolina e la pseudocolinesterasi o butilcolinesterasi (BChE) che utilizza la butirralcolina come substrato. L’AChE si trova principalmente nelle giunzioni neuromuscolari e nelle sinapsi colinergiche del sistema nervoso centrale. Qui, AChE idrolizza l’acetilcolina in colina e acetato dopo l’attivazione dei recettori dell’acetilcolina sulla membrana postsinaptica. L’attività dell’AChE serve a terminare la trasmissione sinaptica, impedendo continui spari alle terminazioni nervose. Pertanto, è essenziale per il normale funzionamento del sistema nervoso centrale e periferico. L’AChE si trova anche sulle membrane dei globuli rossi, dove costituisce l’antigene del gruppo sanguigno Yt, noto anche come Cartwright. Aiuta a determinare il tipo di sangue di una persona, ma la funzione fisiologica sulla membrana degli eritrociti è ad oggi sconosciuta. BChE si trova nel plasma e la sua funzione fisiologica nel sangue rimane ancora sconosciuta.
La molecola AChE è composta da due diversi domini proteici: un grande dominio catalitico di circa 500 residui e un piccolo peptide C-terminale di meno di 50 residui. L’AChE è un prodotto di un singolo gene che viene espresso in diversi tessuti in diverse forme di splicing. Lo splicing alternativo nel termine 3′ del pre-mRNA dell’AChE produce tre varianti: la primaria, “sinaptica” AChE-S (altrimenti nota come “con la coda”, AChE-T), la variante solubile (readthrough) AChE-R indotta dallo stress e l’AChE-E eritrocitaria. Queste isoforme condividono un dominio catalitico simile ma differiscono nel loro dominio C-terminale, che influenza la loro forma molecolare e la localizzazione e conferisce caratteristiche specifiche. AChE-S “sinaptica” costituisce il principale enzima multimerico nel cervello e nel muscolo. È tipicamente tetramerico e legato alla membrana nella sinapsi. Il solubile, monomerico “readthrough” AChE-R è indotto sotto stress chimico e fisico; l’AChE-E eritrocitaria è un dimero legato al glicofosfatidilinositolo (GPI) mirato alla membrana plasmatica degli eritrociti e dei linfociti. AChE-S e AChE-R sono stati descritti anche nelle cellule del sangue periferico.
Il sito attivo di AChE comprende due sottositi: il sito anionico e il sottosito esteratico. Il sottosito anionico è il sito di legame per l’ammina quaternaria positiva dell’acetilcolina. Il sottosito esteratico è il sito dove l’acetilcolina viene idrolizzata in acetato e colina. L’idrolisi dell’estere carbossilico porta alla formazione di un acil-enzima e di colina libera. Poi, l’acil-enzima subisce un attacco nucleofilo da parte di una molecola d’acqua, liberando acido acetico e rigenerando l’enzima libero.
3. Composti organofosforici e carbammati come inibitori specifici di AChE
I pesticidi organofosforici e carbammati sono noti per essere inibitori specifici dell’attività catalitica dell’aceilcolinesterasi. Sono diventati i pesticidi più utilizzati oggi dopo la rimozione dei pesticidi organoclorurati dall’uso. I composti organofosforici e carbammati si legano con affinità variabile al sito esteratico per fosforilazione o decarbamilazione, rispettivamente, e inattivano l’enzima. I composti organofosforici sono considerati inibitori funzionalmente irreversibili dell’AChE, poiché il tempo necessario per liberare l’enzima dall’inibizione può essere superiore al tempo richiesto per la sintesi di nuova AChE. I carbammati, d’altra parte, hanno una fase di decarbamilazione abbastanza rapida in modo che il recupero sostanziale dell’enzima può avvenire in un periodo di tempo finito. Il tasso di idrolisi dell’enzima intermedio fosforilato o carbammato non è l’unico fattore che contribuisce alla tossicità di questi pesticidi. L’affinità del gruppo serina-idrossile nel sito attivo (sito esteratico) per l’inibitore è un altro aspetto importante da considerare. Alcuni composti hanno un effetto diretto sull’enzima, mentre altri come il parathion o il clorpirifos, che hanno poca capacità di inibire direttamente l’AChE, vengono attivati metabolicamente dai citocromi P450 per formare potenti inibitori dell’AChE indicati come “analoghi dell’ossigeno” o “ossoni”. Mentre è noto che questi ossoni inibiscono AChE attraverso la fosforilazione di Ser-203, i dettagli delle interazioni tra questi ossoni e l’enzima non sono chiari. I risultati recenti suggeriscono che le interazioni dell’ossone di clorpirifos con AChE sono complesse e possono coinvolgere il legame di questo ossone ad un sito secondario sull’enzima.
I pesticidi organofosfati e carbammati sono ampiamente utilizzati per il controllo dei parassiti sulle colture in agricoltura e sul bestiame e per usi residenziali, compreso il controllo degli insetti negli usi domestici e nei giardini. Residui di pesticidi organofosforici sono stati rilevati a livelli ammissibili (e talvolta inammissibili) in molti prodotti agricoli; pertanto sono probabili esposizioni dietetiche di basso livello a pesticidi organofosforici. L’esposizione professionale avviene in tutte le fasi di formulazione, fabbricazione e produzione dei pesticidi e implica l’esposizione a miscele complesse di diversi tipi di questi composti. In generale, le esposizioni professionali ai pesticidi organofosforici sono inferiori alle esposizioni ambientali; tuttavia, popolazioni speciali, come i bambini lavoratori agricoli, possono ricevere esposizioni più elevate. Grandi quantità di questi composti vengono rilasciati nell’ambiente e molti di essi esercitano il loro effetto anche su organismi non bersaglio, essendo un potenziale pericolo per la salute umana e l’ambiente. I residui di organofosfato e carbammato provenienti da pratiche agricole sono in grado di infiltrarsi attraverso il suolo nelle acque di superficie a causa della loro solubilità in acqua. Come conseguenza della loro ampia diffusione, i residui sono stati rilevati nel cibo, nell’acqua freatica e potabile, nelle acque naturali di superficie e negli organismi marini. Pertanto, tutte le persone sono inevitabilmente esposte a questi composti e/o ai loro prodotti di degradazione attraverso la contaminazione ambientale o l’uso professionale in aria, acqua e cibo. Questi inquinanti non possono essere facilmente rilevati dall’analisi chimica a causa della loro vita relativamente breve nell’ambiente; d’altra parte i loro prodotti di degradazione ambientale possono essere molto dannosi, mantenendo l’attività anticolinesterasica.
Come recentemente sottolineato da Black e Read l’inibizione dell’AChE da parte dei composti organofosforici suscita un certo interesse anche in relazione al problema dell’esposizione ad agenti chimici di guerra, come gli agenti nervini organofosforici. Questi sono gli agenti di guerra chimica più tossici che sono noti per essere stati prodotti, stoccati e armati. Il loro sviluppo, produzione, stoccaggio e uso sono vietati dalla Convenzione sulle armi chimiche e, insieme ai loro precursori, sono soggetti a severi controlli e procedure di verifica. Il primo uso confermato di agenti nervini organofosforici in guerra fu da parte dell’Iraq nel conflitto con l’Iran (Nazioni Unite, 1984) e dall’Iraq contro la popolazione curda. Più recentemente è stato percepito un aumento del rischio che alcuni gruppi terroristici utilizzino agenti nervini.
4. Inibizione dell’AChE come biomarcatore d’effetto in medicina occupazionale e ambientale
Come bersaglio molecolare di composti organofosforici e carbammati, la misurazione dell’AChE nel sangue è stata presto riconosciuta come un marcatore biologico umano di effetto per queste molecole ed è emersa come strumento diagnostico in ambito biomedico. Come osservato nella Figura 2, negli ultimi due decenni è stato osservato un crescente interesse per l’AChE come biomarcatore nella medicina occupazionale e ambientale, come indicato dal crescente numero di articoli in questi campi.
Numero di articoli pubblicati negli ultimi 20 anni. La ricerca è stata effettuata su Scopus utilizzando due query di ricerca, rispettivamente: (1) “AChE” e “medicina del lavoro”, (2) “AChE” e “medicina ambientale” (Scopus, aprile 2013).
Oggi la misurazione dei livelli di ChE nel sangue è il metodo convenzionale per valutare il grado di esposizione professionale a pesticidi organofosfati in ambienti esposti (ad esempio, ambienti interessati dalla produzione e dall’uso di pesticidi) durante la periodica sorveglianza medica obbligatoria in diversi paesi. I livelli di intervento sono stati stabiliti, per esempio, in Svezia: se l’inibizione dell’ACHE (calcolata rispetto al livello individuale pre-esposizione-base) è del 25%, deve essere effettuata una seconda misurazione. Se la diminuzione dell’attività ACHE è confermata, l’esposizione deve essere evitata per 14 giorni.
La misurazione della colinesterasi nel sangue è anche utile come biomarcatore primario in medicina d’urgenza nei casi di avvelenamento e di esposizione accidentale a organofosfati o carbammati. Nella medicina occupazionale e ambientale l’AChE eritrocitaria e la BChE plasmatica o sierica sono i due principali tipi di ChE misurati nel sangue. L’inibizione potenziale di AChE e BChE varia ampiamente tra i diversi composti organofosforici. Alcuni pesticidi organofosfati inibiscono BChE più fortemente di AChE. L’inibizione di BChE è altamente correlata con l’intensità e la durata dell’esposizione superiore a un grande gruppo di pesticidi organofosfati e carbammati. Tuttavia, l’inibizione di BChE non riflette gli effetti biologici degli organofosfati nel sistema nervoso. D’altra parte l’inibizione AChE è più sensibile di BChE in caso di esposizione cronica all’organofosfato. Infatti, l’inibizione dell’AChE da parte dell’organofosfato mostra un tasso di recupero inferiore rispetto alla BChE e questo produce un effetto inibitorio cumulativo sull’attività dell’AChE. A differenza della BChE, l’inibizione dell’AChE negli eritrociti rispecchia gli effetti biologici dell’organofosfato nel sistema nervoso. Pertanto, le misure dei globuli rossi di AChE sono generalmente preferite alle misure plasmatiche dell’attività di ChE perché i dati sui globuli rossi possono fornire una migliore rappresentazione dell’inibizione dell’AChE neurale.
Il successo dell’uso dell’inibizione dell’AChE come biomarcatore di effetto all’esposizione agli organofosfati deriva dal fatto che soddisfa una serie di caratteristiche necessarie per l’applicazione di successo di una risposta biologica come biomarcatore nel biomonitoraggio: la risposta è facile da misurare, mostra un comportamento dose-dipendente all’esposizione all’inquinante, è sensibile e presenta un legame con gli effetti avversi sulla salute.
Il metodo più utilizzato per la misurazione dell’attività AChE nel sangue è il metodo Ellman basato sulla determinazione fotometrica del prodotto cromogenico proveniente dalla reazione tra acetiltiocolina (il substrato dell’enzima) e l’acido 5, 5-ditiobis-2-nitrobenzoico (DTNB, reagente di Ellman). Questo metodo è facile da usare, impiega attrezzature relativamente poco costose e i risultati sono accurati e quantitativi. Recentemente, la misura dell’inibizione di AChE nella saliva umana come biomarcatore di effetto per il pesticida organofosforico è stata esplorata. Negli ultimi anni l’uso della saliva come un fluido diagnostico per lo sviluppo di biomarcatori è cresciuto rapidamente. L’uso della saliva per la rilevazione dei biomarcatori offre molti vantaggi: la raccolta della saliva non è invasiva rispetto alla flebotomia, è più accettabile per i pazienti e non comporta il rischio di ferite da ago. Queste caratteristiche rendono l’uso della saliva adatto per la sorveglianza medica e il monitoraggio biologico. AChE nella saliva umana è derivato da cellule ghiandolari salivari, mentre BChE può essere derivato da microrganismi nella cavità orale. Sayer et al. ha dimostrato che l’attività catalitica AChE nella saliva è stabile a temperatura ambiente per un massimo di 6 ore. In un gruppo di lavoratori esposti fabbrica di pesticidi, attività di colinesterasi nella saliva è stato trovato per essere inferiore all’attività nei controlli sani. Henn et al. ha suggerito che la saliva può essere un utile indicatore di potenziali effetti neurotossici da esposizione a pesticidi organofosforici e carbammati, ma ha sottolineato la necessità di esplorare ulteriormente i fattori che influenzano l’alta variabilità nelle misure rispetto alla misurazione AChE sangue. Uno studio di Ng et al. ha messo in discussione l’uso di AChE nella saliva come biomarcatore per composti organofosfati a causa dei bassi livelli di AChE nella saliva rispetto agli eritrociti e la debole correlazione tra le due misure. Pertanto, l’uso della misurazione dell’AChE come biomarcatore d’effetto invece della misurazione del sangue rimane ancora discusso.
L’uso di un biomarcatore nel biomonitoraggio richiede la conoscenza delle relazioni tra esposizione chimica, risposte del biomarcatore ed effetti avversi. Questi aspetti sono stati ben stabiliti nel caso dell’AChE. Diversi studi hanno riportato una relazione significativa tra l’esposizione a composti organofosforici e l’inibizione dell’AChE in popolazioni di lavoratori esposti. Per quanto riguarda la relazione tra l’inibizione dell’AChE e gli effetti negativi sulla salute, è noto che un’inibizione dell’AChE tra il 50% e il 60% suscita un modello dose-risposta di sintomi relativamente lievi come debolezza, mal di testa, vertigini, nausea e salivazione con una convalescenza di 1-3 giorni (Figura 3). Un’inibizione dell’AChE tra il 60 e il 90% produce sintomi moderati come sudorazione, vomito, diarrea, tremori, andatura disturbata, dolore al petto e cianosi delle mucose che si invertono in poche settimane. Al 90-100% di inibizione, si verifica la morte per insufficienza respiratoria o cardiaca.
Relazioni tra inibizione di AChE ed effetti negativi sulla salute. Disegnato sulla base dei risultati di Maroni et al.
5. Sensibilità dell’AChE ad altri inquinanti
Negli ultimi anni, l’inibizione dell’AChE da parte di diverse specie chimiche diverse dai pesticidi organofosfati e carbammati, tra cui metalli pesanti, altri pesticidi, idrocarburi policiclici aromatici, detergenti e componenti di miscele complesse di contaminanti è stata sempre più segnalata negli esseri umani e in altri animali.
Il potenziale di alcuni ioni metallici, come Hg2+, Cd2+, Cu2+, e Pb2+, di deprimere l’attività di AChE in vitro e/o in condizioni in vivo è stato dimostrato in diversi studi su esseri umani e animali. Ademuyiwa et al. hanno studiato il potenziale effetto del piombo sull’attività AChE degli eritrociti durante l’esposizione professionale a questo metallo e hanno suggerito che l’attività AChE degli eritrociti potrebbe essere usata come biomarcatore della neurotossicità indotta dal piombo nei soggetti esposti professionalmente.
L’attività AChE può anche essere influenzata da altri pesticidi di diverse famiglie chimiche, come piretroidi, triazine e Paraquat. Hernández et al. hanno suggerito l’utilità dell’AChE come biomarcatore di esposizione nella sorveglianza dei lavoratori esposti a lungo termine a pesticidi diversi dagli organofosfati e dai carbammati.
Diversi risultati indicano anche l’effetto anticolinesterasico degli idrocarburi policiclici aromatici che sono contaminanti ambientali comuni nelle acque superficiali, nei sedimenti, nei suoli e nell’aria urbana. Questi composti si formano durante la combustione incompleta di combustibili fossili, legno e incenerimento dei rifiuti urbani, dai motori a combustione interna. Kang e Fang hanno dimostrato che diversi idrocarburi policiclici aromatici inibiscono AChE direttamente in vitro. L’entità dell’inibizione differisce tra i composti testati e può essere correlata al numero di anelli aromatici nella molecola. È interessante notare che gli idrocarburi policiclici aromatici sono in grado di inibire l’attività dell’AChE in modo additivo insieme agli organofosfati, essendo inibitori non competitivi dell’AChE.
Di recente, a causa del crescente interesse per i nanomateriali in varie applicazioni (ad esempio, elettronica, biomedicina, catalisi e scienza dei materiali), Wang et al. hanno esplorato i potenziali effetti delle nanoparticelle sull’attività AChE in vitro. Diverse classi di nanoparticelle, tra cui metalli, ossidi e nanotubi di carbonio (SiO2, TiO2, Al2O3, Al, Cu, rame rivestito di carbonio, nanotubi di carbonio a parete multipla e nanotubi di carbonio a parete singola), hanno mostrato alta affinità per AChE. Cu, Cu-C, nanotubi di carbonio a parete multipla e nanotubi di carbonio a parete singola MWCNT, SWCNT hanno mostrato un’inibizione dose-risposta dell’attività AChE con valori IC50 di 4, 17, 156 e 96 mgL-1, rispettivamente. L’inibizione da parte delle nanoparticelle è stata causata principalmente dall’adsorbimento o dall’interazione con l’enzima.
Tutti questi risultati sulla sensibilità dell’AChE a diverse classi di contaminanti diversi dai composti organofosfati e carbammati devono essere presi in considerazione per la corretta applicazione di questo biomarcatore nella medicina ambientale e occupazionale. Infatti, nella maggior parte dei casi si osservano esposizioni miste. Vale la pena notare che non solo diversi composti possono raggiungere livelli significativi in termini di effetto anticolinesterasico, ma, inoltre, combinazioni di diverse classi chimiche possono esercitare un effetto inibitorio additivo o sinergico sull’attività AChE. Questo suggerisce la necessità di riconsiderare l’applicabilità dell’AChE nel biomonitoraggio e nella valutazione del rischio in aree contaminate da diverse classi di inquinanti. In questi casi l’utilità di questo biomarcatore potrebbe essere quella di fornire una misura integrativa del rischio neurotossico complessivo posto dall’intero carico di contaminanti biodisponibili presenti nell’ambiente.
6. Funzioni non catalitiche dell’ACHE e sensibilità agli organofosfati
La ricerca degli ultimi venti anni indica ulteriori funzioni dell’AChE oltre alla sua attività catalitica e al suo ruolo nel terminare la neurotrasmissione nelle sinapsi colinergiche. Diverse isoforme di AChE hanno dimostrato di influenzare la proliferazione cellulare, la differenziazione e le risposte a vari stress. AChE sembra svolgere un ruolo importante nella crescita assonale, sinaptogenesi, adesione cellulare, migrazione neuronale, risposte allo stress emopoietico e apoptosi. Queste funzioni sono in gran parte indipendenti dalla capacità enzimatica di idrolizzare l’acetilcolina. I meccanismi alla base di queste importanti funzioni non catalitiche sono da esplorare; tuttavia, sembrano coinvolgere varianti AChE con splicing alternativo in diversi tessuti.
È noto che molteplici stimoli di stress comportano un aumento del rapporto tra AChE-R e AChE-S nel cervello e nelle cellule del sangue.
Nel cervello AChE-S è la principale isoforma in condizioni fisiologiche, ma la variante AChE-R, normalmente rara, può verificarsi dopo l’esposizione a stress fisico o farmaci anticolinesterasici. In generale, in condizioni normali, i fattori di splicing SC35 e ASF/SF2 si bilanciano a vicenda e regolano lo splicing di AChE, aumentando il livello della forma AChE-S e abbassando il livello della forma AChE-R. Durante lo stress, la SC35 upregolata induce uno squilibrio del rapporto dinamico delle varianti AChE-S/R spostando lo splicing della forma AChE-S verso la forma AChE-R attraverso l’interazione con uno specifico enhancer di splicing esonico.
Le due varianti splice di AChE, R e S, condividono funzioni distinte nello sviluppo e nella riparazione nel cervello: l’isoforma AChE-R, preferenzialmente indotta da lesioni, sembra promuovere la riparazione e proteggere dalla neurodegenerazione, mentre la sovraespressione dell’isoforma sinaptica più abbondante, AChE-S, aumenta la suscettibilità alla neurotossicità.
Recentemente Jameson et al. hanno suggerito che le funzioni nonenzimatiche delle varianti di AChE sono un bersaglio per la neurotossicità dello sviluppo degli organofosfati. Come dimostrato in modelli animali, i composti organofosfati sono in grado di indurre neurotossicità nello sviluppo a dosi che non provocano alcun segno di intossicazione sistemica e anche a esposizioni inferiori alla soglia di inibizione dell’AChE. Negli esseri umani sono stati osservati legami tra l’esposizione agli organofosfati durante la gravidanza e deficit nella crescita fetale e nello sviluppo neurocognitivo nei bambini. Questi risultati hanno portato alla restrizione dell’uso domestico di alcuni insetticidi organofosfati in alcuni paesi. Tuttavia, i meccanismi e le conseguenze della neurotossicità dello sviluppo indotta dagli organofosfati rimangono una grande preoccupazione ambientale.
Gli organofosfati sono noti per aumentare l’espressione complessiva di AChE e per alterare l’espressione relativa di AChE-R e AChE-S nel cervello adulto dei mammiferi. D’altra parte durante il periodo di sviluppo, le esposizioni agli organofosfati suscitano un modello AChE associato a una neurotossicità progressiva caratterizzata dalla coinduzione sia di AChE-R che di AChE-S a concentrazioni di esposizione inferiori alla soglia di inibizione dell’attività catalitica AChE. Come sottolineato da Jameson et al, le varianti AChE possono partecipare ed essere predittive della neurotossicità relativa allo sviluppo degli organofosfati, compreso il deterioramento cognitivo a lungo termine.
Recentemente, l’esposizione agli organofosfati è stata trovata associata ad un aumentato rischio di malattia di Alzheimer nei lavoratori esposti a questi composti e, inoltre, ad un aumentato rischio di malattia di Alzheimer nei bambini. Sulla base dello studio di Darreh-Shori et al. che hanno esplorato i ruoli delle due varianti AChE nella malattia di Alzheimer, è possibile ipotizzare il coinvolgimento delle diverse isoforme AChE nell’associazione organofosfato con la malattia di Alzheimer negli individui esposti.
Interessante, tutti questi risultati sottolineano la necessità di analizzare le varianti di splicing del gene AChE che possono essere importanti nei meccanismi o negli esiti della neurotossicità evolutiva indotta dagli organofosfati e non solo l’attività totale del prodotto proteico. Inoltre, aprono nuove prospettive per l’uso potenziale dell’espressione del gene AChE nel biomonitoraggio e nella valutazione del rischio. In prospettiva, lo studio delle varianti splice del gene AChE, delle loro funzioni e delle alterazioni indotte dagli inquinanti nel loro pattern di espressione potrebbe contribuire (1) a rilevare l’esposizione a concentrazioni di inquinanti che non provocano segni di intossicazione sistemica e inibizione dell’AChE negli adulti ma che sono in grado di indurre effetti a lungo termine sugli stadi dello sviluppo; (2) a definire nuovi livelli di esposizione soglia che proteggono l’organismo dagli effetti avversi in tutti gli stadi della vita; (3) a caratterizzare nuovi biomarcatori di suscettibilità.
7. Conclusioni
AChE rappresenta uno dei primi biomarcatori convalidati in medicina ambientale e del lavoro e il suo uso è aumentato negli ultimi due decenni. Tuttavia, recenti scoperte indicano nuove potenzialità dell’AChE nel biomonitoraggio umano. La sensibilità dell’attività AChE ad altre classi di sostanze chimiche, compresi gli inquinanti emergenti come i nanomateriali, suggerisce l’utilità di questo biomarcatore per fornire una misura integrativa del rischio neurotossico complessivo derivante dall’intero carico di contaminanti biodisponibili in aree contaminate da diverse classi di inquinanti. Inoltre, lo studio dell’espressione delle varianti splice AChE, il loro ruolo nella neurotossicità degli organofosfati, contribuisce allo sviluppo dell’espressione genica AChE come un nuovo biomarcatore di suscettibilità per migliorare la comprensione della salute ambientale e professionale.