Scoprire come miscele di sostanze tossiche interagiscono negli organismi viventi

Uno studio di ricercatori dell’Università degli studi di Modena e Reggio Emilia e di colleghi giapponesi getta le basi per scoprire come miscele di sostanze tossiche interagiscono negli organismi viventi.

I risultati di questo studio hanno implicazioni nella tossicologia generale, con specifici risvolti applicativi nell’ambito della sicurezza degli alimenti. L’identificazione degli effetti negativi posti alla salute umana da contaminanti i prodotti alimentari, infatti, è elemento necessario alla caratterizzazione dei rischi cui possono essere esposti i consumatori.

La scoperta riguardante le risposte molecolari di cellule umane in coltura esposte a una miscela di due tossine che possiedono diversi meccanismi d’azione ha suscitato vasto interesse tra la comunità scientifica internazionale, tanto che di recente (15 giugno) Chemical Research in Toxicology, rivista dell’American Chemical Society, ha deciso la pubblicazione dei risultati di questo studio, accompagnato da un editoriale del comitato editoriale della rivista di presentazione delle loro implicazioni e ricadute.

Lo studio è stato condotto presso il Dipartimento di Scienze Biomediche, nell’ambito delle attività sviluppate dal Centro di Ricerca Interdisciplinare di Scienze e Tecnologie per la Qualità e Sicurezza degli Alimenti, con il supporto tecnico del Centro Interdipartimentale Grandi Strumenti dell’Università degli studi di Modena e Reggio Emilia e l’impiego di strumentazione acquisita con finanziamenti della Fondazione Cassa di Risparmio di Modena, ed ha visto protagonisti un gruppo coordinato dal prof. Gian Paolo Rossini, in collaborazione col prof. Albertino Bigiani, e studiosi giapponesi: il prof. Takeshi Yasumoto, ora presso l’Okinawa Science and Technology Promotion Center, e i professori Makoto Sasaki e Haruhiko Fuwa della Graduate School of Life Sciences, presso la Tohoku University.

“Con la nostra ricerca – spiega il prof. Gian Paolo Rossini dell’Università degli studi di Modena e Reggio Emilia – abbiamo visto che le risposte a una combinazione di due sostanze tossiche, ciascuna con un proprio meccanismo d’azione diverso dall’altra, sono sì del tipo azione-reazione, ma non nel senso che vi sia un solo tipo di risposta possibile (due sostanze danno sempre, ad esempio, effetti indipendenti, qualunque effetto si vada a valutare), bensì che, presa una risposta alla volta, si ha sempre un tipo d’effetto indotto dalla contemporanea presenza delle due tossine. Se consideriamo invece l’insieme delle risposte scatenate dalle due sostanze, troviamo contemporaneamente molteplici tipologie (risposte simili, indipendenti, sinergiche e anche antagoniste) e ciascuna risposta ha la propria. Individuata quindi la tipologia di una risposta, non si può presumere che tutte le altre siano dello stesso tipo. Così, una qualunque risposta non può essere prevista a priori come semplice sovrapposizione delle risposte indotte individualmente dalle due sostanze, ma va verificato cosa accada in riferimento a quella specifica risposta”

La caratterizzazione delle risposte è stata condotta con metodiche sistemiche (analisi del proteoma) e ha dimostrato che il trattamento simultaneo con due tossine induce risposte molecolari distinte a seconda della singola risposta molecolare analizzata. In alcuni casi le risposte sono sinergiche, in altri sono indipendenti, mentre in altri ancora sono antagoniste, e una tossina si oppone alla manifestazione della risposta indotta dall’altra. Lo studio dimostra così che la risposta di cellule a combinazioni di sostanze tossiche non può essere semplicemente prevista come sovrapposizione delle risposte indotte individualmente dalle due sostanze.

“Poniamo un esempio fantasioso ma vicino al senso comune (quindi a livello di organismo, che non è quello molecolare della nostra sperimentazione). Prendiamo – dice il prof. Gian Paolo Rossini – una tossina A, che, immaginiamo, causa mal di testa, abbassamento di pressione e sonnolenza. E prendiamo un’altra tossina B che causa il mal di pancia, depressione e aumenta l’appetito. Non si può presumere che se siamo esposti ad A e B contemporaneamente avremo mal di testa, abbassamento di pressione, sonnolenza, mal di pancia, depressione e aumento dell’appetito. Non si può neanche presumere che, se siamo esposti contemporaneamente ad A e B, e verifichiamo che aumenta il nostro mal di testa, allora dobbiamo aspettarci che si accentueranno anche gli altri effetti di A (ignorando quelli di B per semplicità), e avremo un ulteriore abbassamento di pressione e ci addormenteremo guidando l’auto. Si potrà invece dare che, se siamo esposti contemporaneamente ad A e B avremo un aumento del mal di testa, la pressione tornerà normale, saremo comunque assonnati ma non avremo mal di pancia, saremo euforici e non avremo mai fame. I nostri risultati ci consentono di fare conclusioni a livello molecolare. Gli altri livelli sono da sondare, per verificare se le nostre conclusioni sono applicabili anche ad altri livelli di complessità tipo quello dell’esempio che ho proposto”.

All’elemento di novità contenutistico, infatti, se ne affianca un’altro, di tipo metodologico. La maggior parte degli studi sui meccanismi di tossicità, infatti, è stata finora centrata sugli effetti di singoli componenti. Nella realtà, tuttavia, gli organismi sono esposti contemporaneamente a una molteplicità di agenti tossici, ma in poche indagini si è finora tentato di affrontare la complessità delle interazioni fra diverse sostanze tossiche. La metodologia sviluppata in questo studio fornisce, invece, nuovi mezzi per affrontare questa complessità, ponendo le basi per scoprire come miscele di sostanze tossiche interagiscono negli organismi viventi.

“Risultati come quelli di questo studio – commenta il prof. Sebastiano Calandra Buonaura, Direttore del Dipartimento di Scienze Biomediche – mettono in luce diversi elementi di rilievo per l’istituzione universitaria nel suo complesso. Da un lato, infatti, mostrano come il potenziale scientifico delle nostre strutture universitarie sia riconosciuto dalla comunità scientifica internazionale, tanto più quando, come in questo caso, è riconoscibile la posizione trainante del gruppo italiano nella ideazione dell’indagine. Dall’altro sottolineano l’impatto formativo dello studio, in quanto i giovani collaboratori, che costituiscono il motore delle indagini, hanno avuto la possibilità di inserire le elaborazioni e le metodologie impiegate in questo lavoro fra gli elementi base della loro professionalità. Infine, simili studi, dimostrano l’efficacia di interazione collaborativa di attori diversi, quali le strutture dipartimentali, il Centro Interdipartimentale Grandi Strumenti ed il contributo finanziario della Fondazione Cassa di Risparmio di Modena.

Il contributo dei ricercatori modenesi e giapponesi fornisce così l’impianto formale e strumenti operativi per poter affrontare a livello molecolare l’individuazione degli effetti avversi che possono manifestarsi nei consumatori quando questi sono esposti simultaneamente a miscele di sostanze dannose.

Original Article:

Proteomic Analysis Reveals Multiple Patterns of Response in Cells Exposed to a Toxin Mixture
Gian Luca Sala†‡, Giuseppe Ronzitti†‡§, Makoto Sasaki, Haruhiko Fuwa, Takeshi Yasumoto, Albertino Bigiani† and Gian Paolo Rossini*†
Centro Interdisciplinare di Scienze e Tecnologie per la Qualità e Sicurezza degli Alimenti, Dipartimento di Scienze Biomediche, Universit di Modena e Reggio Emilia, I-41100 Modena, Italy, Graduate School of Life Sciences, Tohoku University, Sendai 981-8555, Japan, and Okinawa Science and Technology Promotion Center, Okinawa, 904-2234, Japan
Chem. Res. Toxicol., 2009, 22 (6), pp 1077–1085
DOI: 10.1021/tx900044p
Publication Date (Web): April 27, 2009
Copyright © 2009 American Chemical Society

† Universit di Modena e Reggio Emilia.
, ‡ These authors have equally contributed to this paper.
, § Present address: Neuroscience and Brain Technologies Department, Italian Institute of Technology, Via Morego 30, 16163, Genova, Italy.
, Tohoku University.
, Okinawa Science and Technology Promotion Center.
, * To whom correspondence should be addressed. E-mail: gianpaolo.rossini [AT] unimore [DOT] it.

We have used proteomic analyses to probe the responses induced by a pair of marine biotoxins, okadaic acid (OA) and gambierol (GB), added alone or in combination to a cultured cell line and carried out a preliminary investigation into the possible interactions between toxins possessing two different molecular mechanisms of action at a cellular level. When MCF-7 cells were treated with OA, we found that cellular levels of 30 proteins were significantly affected, including several isoforms of nonphosphorylated and phosphorylated hsp 27, as well as enzymes involved in the maintenance of nucleoside triphosphate pools and the control of redox states of the cell. When we repeated our analysis using GB, nine proteins were significantly affected, including some isoforms of nonphosphorylated hsp 27, as well as semenogelin-1, myosin-7, and the ATP synthase subunit δ. The combined addition of OA and GB to MCF-7 cells, in turn, affected 14 proteins, including some isoforms of nonphosphorylated and phosphorylated hsp 27, as well as myosin-7, the ATP synthase subunit δ, and enzymes involved in the control of redox states of the cell. If components affected by either OA or GB, as well as by the combined treatment, were classified according to the detected changes, two sets of data were obtained, including the components whose levels were found affected by the combined treatment, regardless of the effect observed after addition of only one agent, and those that had been found affected in cells that had been challenged with only one toxin but not when cells had been subjected to the combined treatment. Multiple patterns of responses to the toxin mixture were recorded in the two sets, consisting of both independent and interacting actions, among which we detected synergistic, similar, and antagonistic effects.

Web: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/tx900044p