Oxidative Potential of Atmospheric Particulate Matter: determination with acellular assays and relationship with samples chemical composition

L’obiettivo principale di questa tesi di dottorato è lo studio del potenziale ossidativo (OP) del particolato atmosferico (PM), proposto come metrica biologicamente rilevante per valutare gli effetti negativi sulla salute umana, mediati dallo stress ossidativo indotto dalle specie reattive dell'ossigeno (ROS), in seguito all'esposizione al PM. La ricerca è stata dedicata alla messa a punto della procedura analitica di saggi acellulari per la misurazione del potenziale ossidativo, evidenziando il contributo della componente chimica del PM sulle risposte OP ottenute. La prima parte della tesi è stata dedicata allo studio di due saggi cell-free, ampiamente applicati per fornire la lettura rapida del potenziale ossidativo del PM, basati sull'ossidazione di molecole target, acido ascorbico (AA) e ditiotreitolo (DTT), per rappresentare le reazioni che si verificano all'interfaccia aria-polmone. La risposta OP viene misurata attraverso la velocità di consumo di una quantità nota di DTT e AA e fornisce un output quantitativo dell’attività del PM nella produzione di ROS. Sono stati studiati nel dettaglio gli effetti di due importanti condizioni operative: il solvente utilizzato per l'estrazione del PM dai filtri campionati e le diverse composizioni di antiossidanti nel dosaggio AA. L’obiettivo prefissato era quello di progettare un set-up sperimentale che rappresentasse in modo adeguato le interazioni delle particelle inalate di PM quando entrano in contatto con i macrofagi interstiziali nel polmone. Alla luce dei risultati ottenuti, i tre solventi testati sono utili per entrambi i saggi in quanto generano risposte OP comparabili, anche se il tampone fosfato fornisce una misura OP più attendibile. Tra i surrogati indagati, la soluzione semplificata di AA mostra il vantaggio di generare risposte OPAA più elevate, mostrando una maggiore sensibilità rispetto alle soluzioni composite contenenti due o più antiossidanti fisiologici. La parte centrale della ricerca è stata rivolta allo studio delle proprietà ossidative dei campioni reali di PM raccolti in vari siti in diverse regioni d'Italia, indagando l'associazione delle risposte OP con la composizione chimica del PM al fine di evidenziare la sensibilità dei due saggi acellulari. Sebbene vi sia una somiglianza generale tra i diversi siti indagati, le risposte OPDTTV e OPAAV mostrano alcune differenze, in particolare tra le regioni del Nord e del Sud, dovute alla variazione della composizione chimica del PM come conseguenza dell’impatto delle diverse sorgenti di emissione e delle condizioni atmosferiche. L'ultima parte di questo lavoro di tesi riguarda la caratterizzazione degli Idrocarburi Policiclici Aromatici (IPA) nella composizione del PM organico. Questa classe di composti fornisce importanti informazioni sulle fonti e sui processi a cui è sottoposto il PM e permette di valutarne l'impatto tossicologico. A causa dell’elevata complessità della composizione chimica del PM, sono state utilizzate due procedure di pretrattamento/purificazione (SPE e SPME), per consentire una migliore identificazione e quantificazione degli analiti. Il confronto tra le due procedure evidenzia come la fase SPE costituita dal polimero a stampo molecolare (MIP) risulta maggiormente selettiva nei confronti degli IPA, eliminando le interferenze dovute agli n-alcani. Infine, nell'ambito del progetto "Piano Lauree Scientifiche", è stato approfondito il tema del monitoraggio della Qualità dell'Aria Indoor (IAQ) nelle aule e laboratori di due scuole secondarie di Ferrara. Il monitoraggio è stato condotto in-situ negli ambienti scolastici utilizzando sensori che hanno misurato in continuo: temperatura, umidità relativa, concentrazione di PM2.5, VOCs e CO2. Si è studiato il profilo giornaliero della concentrazione indoor degli inquinanti, il quale è stato messo in relazione sia con l'attività all'interno dell'aula scolastica, sia con l'apertura/chiusura di finestre e porte.

The main focus of this PhD thesis is the investigation of the oxidative potential (OP) of ambient particulate matter (PM). This is a biologically relevant metric proposed for assessing adverse health effects related to PM exposure, based on the increasing evidence that they are mostly mediated by the oxidative stress induced by reactive oxygen species (ROS) generated from PM exposure. The research has been devoted to set up the analytical procedure of acellular assays for measuring OP and to highlight the contribution of chemical components of real PM samples to the OP responses. The first part of the thesis is aimed to investigate two cell-free assays widely applied to provide the rapid readout of the PM OP. Both are based on the oxidation of target molecules to represent reactions that likely occur in vivo at the air-lung interface: one uses ascorbic acid (AA, OPAA) while the other uses dithiothreitol (DTT, OPDTT). OP response is measured as the antioxidant depletion rate of a known quantity of DTT and AA and provides a quantitative output of PM activity to produce ROS. The effects of two important operating conditions were investigated in detail, namely the solvent used for the PM extraction from sampled filters and the different compositions of antioxidants in the AA assay. The aim was to design an assay set up that most closely simulates the interactions of the inhaled particles when they come in contact with interstitial macrophages in the lung. In light of the results obtained, the three tested solvents are useful for DTT and AA assays, as generate comparable OP responses, but the phosphate buffer provides the most sensible measure of OP, while among the investigated surrogates, the simplified AA solution shows the advantage of generating higher OPAA, displaying higher sensitivity of the assay response, in comparison with the composite solutions containing two or more physiological AOs. The central part of the research is committed to the study of the oxidative properties of real PM samples collected in several sites located in different regions across Italy. The aim was to investigate the association of OP responses with PM chemical composition in order to highlight the sensitivity of various acellular OP assays to PM components and identify the emission sources and atmospheric processes that mainly drive the OP assay responses. Although there is a general similarity among different investigated sites, the OPDTTV and OPAAV responses show some differences, in particular between Northern and Southern regions, due to the variation in PM chemical composition, as a consequence of the different impacts of emission sources and atmospheric conditions. The last part of this thesis regarded the characterization of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) in the organic PM composition. These compounds can give important information concerning sources and processes PM undergoes and can assess the toxicological impact. Due to the very large complexity of PM chemical composition, two pre-treatment/purification procedures were used (Solid-Phase Extraction and Solid-Phase Microextraction), as a needed sample pre-treatment to allow to identify and quantify analytes more easily. The comparison between the two procedures shows that the MIP-SPE exceeds in specific selectivity towards hydrocarbon components in PM. Finally, in the frame of the "Piano Lauree Scientifiche" project, the topic of Indoor Air Quality (IAQ) monitoring was investigated in school classrooms and laboratories in the Emilia-Romagna region (Northern Italy). In each school environment, the IAQ parameters were on-site measured using monitoring sensors operating 24 h continuously, investigating temperature, relative humidity, the concentration of PM2.5, VOCs, and CO2. The daily profile of the concentration of the indoor pollutant was studied, which was related to the activity inside the school’s classroom and the opening/closing of windows and doors.