Air pollution and paediatric age: how an environmental health research can support public health choices

1. PREMESSA E OBIETTIVI DELLA RICERCA DI DOTTORATO Lo studio oggetto della presente Tesi di Dottorato è stato effettuato allo scopo di proseguire e ampliare una ricerca iniziata nel 2006 come progetto finanziato dall’Istituto Superiore per la Prevenzione e la Sicurezza del Lavoro (ISPESL), al fine di valutare alcuni aspetti dell’inquinamento dell’aria in relazione ai possibili effetti avversi sulla salute umana. L’inquinamento dell’aria, sia atmosferica che degli ambienti confinati, rappresenta un fattore di rischio ben noto per la salute, studiato da molti anni, ma tuttora oggetto di ricerca a causa della complessità della tematica; a tal proposito, le evidenze scientifiche mettono in luce alcuni punti critici che contribuiscono ad aumentare le difficoltà degli studi relativi all’impatto sanitario dell’inquinamento dell’aria: 1. vari contaminanti dell’aria possono determinare diversi effetti sulla salute umana (U.S. EPA 2010); è stato scelto di concentrare l’attenzione sull’inquinante benzene perché tale sostanza rappresenta uno dei tossici più importanti sia in termini qualitativi che in termini quantitativi; il benzene, infatti, è considerato dall’Organizzazione Mondiale della Sanità un inquinante “ubiquitario” dell’ambiente, è riconosciuto dall’Agenzia Internazionale per la Ricerca sul Cancro come cancerogeno di classe I (sufficiente evidenza di cancerogenicità nell’uomo secondo studi epidemiologici adeguati) (IARC 1982) ed è descritto dall’Unione Europea come “health-based European Union priority substance” (Bruinen de Bruin et al. 2008). 2. Le concentrazioni degli inquinanti dell’aria possono subire significative variazioni spazio-temporali; oltre alle note variazioni giornaliere e stagionali dei livelli dei contaminanti atmosferici (Fuselli et al. 2002), esistono differenze anche nelle concentrazioni degli inquinanti secondo gli ambienti considerati; per esempio, gli inquinanti derivanti dal traffico autoveicolare quali il particolato atmosferico e i composti organici volatili possono raggiungere livelli fino a dieci volte maggiori negli abitacoli dei veicoli rispetto a quelli dell’aria esterna; allo stesso modo, alcuni inquinanti possono essere presenti in concentrazioni maggiori negli ambienti confinati piuttosto che negli ambienti esterni (Wu et al. 2010). Quest’ultima evidenza risulta ancora più importante se si considera il fatto che, globalmente, la popolazione spende gran parte del tempo negli ambienti confinati, nei quali è esposta sia agli inquinanti prodotti nell’aria esterna, che penetrano, successivamente, negli ambienti interni, che ai contaminanti prodotti direttamente indoor (Hellweg et al. 2009). L’interesse per l’inquinamento indoor e i possibili effetti avversi è cresciuto notevolmente negli ultimi anni; non a caso, se si considerano le diverse edizioni delle linee-guida prodotte dall’Organizzazione Mondiale della Sanità sulla qualità dell’aria si evince che nella prima edizione (1987) l’inquinamento indoor era trattato esclusivamente in un capitolo sul radon e un compendio sul fumo di tabacco, nella seconda (2000) è presente una specifica sezione sull’inquinamento indoor, mentre nell’aggiornamento del 2005, l’ultimo pubblicato ad oggi, uno spazio molto maggiore è dedicato all’argomento con sezioni relative a specifici contaminanti e loro possibili effetti avversi sulla salute umana (WHO 2010). Inoltre, una recente revisione sistematica condotta al fine di stimare l’impatto sanitario globale dell’esposizione ad alcuni contaminanti ambientali selezionati ha evidenziato che, nell’anno 2004, 4,9 milioni di morti potevano essere attribuiti all’esposizione a inquinanti ambientali e che il maggior contributo era determinato dai contaminanti presenti negli ambienti confinati prodotti dagli impianti di riscaldamento e durante attività di cucina (40,8%), dagli inquinanti outdoor (24,5%) e dal fumo passivo (12,2%). Per quel che riguarda il benzene, in particolare, gli studi dedicati hanno evidenziato che i livelli medi di sostanza presenti negli ambienti confinati sono tipicamente più elevati rispetto all’esterno (in media superiori di quasi due volte), con concentrazioni medie di benzene indoor di 2,6 - 5,8 µg/m3 negli Stati Uniti e valori simili nell’aria all’interno degli edifici in Europa e in Australia. Tali concentrazioni derivano da un livello di base determinato dal benzene presente nell’aria atmosferica, a cui si somma tutto il quantitativo di benzene prodotto negli ambienti confinati a causa di processi di combustione (prevalentemente da fumo di sigaretta), e del suo rilascio da materiali da costruzione e da arredi (WHO 2010). 3. Esistono differenti gradi di suscettibilità per diversi gruppi di popolazione; è noto che esistono alcuni sottogruppi della popolazione generale particolarmente vulnerabili agli effetti degli inquinanti presenti nell’aria, quali soggetti affetti da patologie, anziani, donne in gravidanza e bambini. Questi ultimi, peraltro, sono proprio la fascia di popolazione che trascorre più tempo negli ambienti confinati e per la quale non è possibile estrapolare informazioni dagli studi effettuati su individui adulti sani, ma sarebbero necessarie ricerche dedicate. A proposito dei bambini, in particolare, la Task Force dell’Organizzazione Mondiale della Sanità per la salute ambientale dei bambini ha dichiarato che “i bambini non sono piccoli adulti”, ma devono essere considerati individui “unici” e, di conseguenza, necessitano di studi specifici relativi alla stima del rischio sanitario derivante dall’inquinamento dell’aria (Anderson et al. 2000). Lo studio della letteratura scientifica ha evidenziato che, nel corso degli anni, sono state condotte numerose ricerche al fine di stimare l’impatto sanitario derivante dall’esposizione a benzene sia in ambito occupazionale che per la popolazione generale non esposta professionalmente, ma che le evidenze relative all’esposizione a benzene in età pediatrica sono scarse e necessitano di approfondimenti mediante ricerche dedicate. Lo scopo generale della presente Tesi di Dottorato è stato quelli di tracciare un profilo di esposizione all’inquinamento dell’aria, con particolare riferimento al benzene, in un campione di bambini della popolazione italiana. 2. METODOLOGIE DI STUDIO La ricerca è stata condotta secondo differenti fasi: Fase conoscitiva preliminare Durante tale fase è stata effettuato lo studio della letteratura scientifica sull’argomento “esposizione non professionale al benzene” al fine di identificare la metodologia più adatta per la valutazione dell’esposizione a basse dosi di benzene ed individuare i principali fattori che incidono sull’esposizione della popolazione generale, in particolar modo nei bambini. I principali fattori associati all’esposizione non professionale a benzene sono risultati l’inquinamento atmosferico dell’area di residenza e l’esposizione a fumo di sigaretta, soprattutto in ambiente domestico; la metodologia più adatta è rappresentata dal monitoraggio biologico, in particolare la ricerca nelle urine di benzene immodificato (u-UB), di acido trans,trans-muconico (t,t-MA) e di acido S-fenilmercapturico (SPMA) (Johnson et al. 2007); Elaborazione di un questionario “ad hoc” per indagare i fattori maggiormente correlati con l’esposizione a benzene in età pediatrica Il questionario è stato realizzato per ottenere informazioni sulle attività del bambino durante la giornata di campionamento, sulla sua giornata “tipo”, sulle caratteristiche dell’abitazione e su alcune abitudini dei conviventi, con particolare riferimento alle abitudini al fumo di sigaretta in ambiente domestico. Arruolamento del campione e realizzazione delle campagne di monitoraggio Le aree geografiche in cui effettuare i campionamenti sono state scelte sulla base del grado di urbanizzazione (indice indiretto di inquinamento atmosferico) mediante alcuni indicatori specifici quali la popolazione residente, la densità di popolazione, la densità di aree verdi e il tasso di motorizzazione; grazie a questi indicatori sono state identificate tre aree nella regione Lazio, suddivise rispettivamente in area altamente urbanizzata, area mediamente urbanizzata e area rurale. La strategia utilizzata per il reclutamento dei bambini è stata quella di coinvolgere alcune strutture scolastiche primarie, per un totale di 348 bambini nel’area altamente urbanizzata, 150 bambini nell’area mediamente urbanizzata e 166 nell’area rurale. Il periodo stagionale stabilito per effettuare i campionamenti è stato sempre lo stesso (inverno), per ridurre le variazioni della concentrazione atmosferica degli inquinanti durante i diversi periodi dell’anno, già evidenziata da precedenti indagini (Fuselli et al. 2002). Le campagne di monitoraggio sono state effettuate a Gennaio 2007 (area mediamente urbanizzata), Marzo 2007 (area rurale), Febbraio 2009 (area altamente urbanizzata). Il progetto di ricerca è stato illustrato a tutti gli alunni delle scuole, a cui è stata consegnata una lettera per i genitori, in cui si chiarivano gli scopi e le istruzioni per poter partecipare allo studio e le modalità di gestione per garantire l’assoluto anonimato nel trattamento dei campioni di urine e dei questionari. Successivamente, all’inizio della settimana “scolastica”, è stato consegnato a tutti i bambini il materiale necessario per partecipare al progetto ed è stato chiesto ai genitori di compilare il questionario e di raccogliere un campione di urine del bambino corrispondente all’ultima minzione prima di andare a dormire. La mattina successiva, i partecipanti hanno riconsegnato il contenitore per le urine ed il questionario compilato agli incaricati della raccolta, presenti nella scuola. I campioni urinari raccolti sono stati conservati a +4°C e immediatamente trasportati in laboratorio, dove sono stati preparati i campioni analitici per le determinazioni di benzene immodificato, dei metaboliti, della cotinina (u-cotinina) e della creatinina. La cotinina è stata analizzata come marker biologico di esposizione a fumo passivo e la creatinina come fattore di normalizzazione urinario per gli altri analiti. Determinazioni analitiche e codifica delle risposte ai questionari Le metodologie scelte per le determinazioni degli analiti nelle urine sono state: • (u-B: microestrazione in fase solida (SPME) accoppiata a Gas-Cromatografia/Spettrometria di Massa (GC/SM) (Guidotti et al. 1999); • u-t,t-MA, u-SPMA e u-cotinina: cromatografia liquida microcapillare ad alto rendimento (LC MS/MS) (Manini et al. 2008); • creatinina: metodo di Jaffè (Henry 1974). Le informazioni risultanti dai questionari sono state codificate ed inserite in un database appositamente realizzato. I dati analitici già ottenuti sono stati confrontati con le informazioni derivanti dai questionari attraverso il software statistico SPSS versione 14. 3. PRINCIPALI RISULTATI DELLA RICERCA Sono stati reclutati, in totale 501 bambini con età compresa tra 5 e 11 anni (tasso medio di partecipazione alle campagne di monitoraggio pari al 75,5%). Tra tutte le informazioni indagate mediate i questionari e valutate come possibili predittori di esposizione a benzene, le variabili che incidono in maniera significativa sull’escrezione urinaria di benzene nel campione di bambini esaminato sono l’urbanizzazione dell’area di residenza e l’esposizione a fumo passivo. I primi interessanti risultati sono, infatti, relativi all’esposizione a benzene presente nell’aria atmosferica: i livelli medi di tutti gli analiti urinari (u-B, u-t,t-MA e u-SPMA) dei bambini residenti nell’area mediamente urbanizzata sono risultati maggiori, in maniera statisticamente significativa di circa 1,5 volte rispetto a quelli dei bambini residenti nell’area rurale. Tali differenze sono ancora più evidenti nel gruppo di bambini non esposti a fumo passivo (sono stati considerati esposti a fumo passivo tutti i partecipanti che convivevano con almeno un fumatore). In merito all’esposizione al fumo di sigaretta, i risultati evidenziano che l’esposizione a fumo passivo influenza in maniera significativa i livelli medi di u-B, sia nei bambini residenti nell’area rurale (valori medi rispettivamente pari a 359,50 e 92,50 ng/L; p-value < 0,001) che in quelli residenti nell’area a media urbanizzazione (valori medi rispettivamente pari a 411,50 e 210,50 ng/L; p-value = 0,003), mentre la stessa esposizione non incide sulle concentrazioni urinarie dei metaboliti. Tali risultati sono confermati anche dalla relazione positiva tra i valori di u-B e della u-cotinina in tutti i bambini considerati e nel gruppo degli esposti a fumo passivo. L’influenza del fumo passivo sugli indici biologici di esposizione a benzene è generalmente considerata in maniera negativa, soprattutto quando questi vengono utilizzati nella stima dell’esposizione a benzene in ambiente lavorativo, tanto che i metaboliti t,t-MA e SPMA sono considerati i migliori markers di esposizione (ACGIH, 2009) e molti autori suggeriscono un’attenta valutazione dell’esposizione a fumo (attivo e passivo) quando viene usato l’u-UB (Barbieri et al. 2008; Lovreglio et al. 2010). D’altro canto, l’influenza del fumo passivo sull’escrezione urinaria di benzene tal quale potrebbe essere vantaggiosa se si considera la possibilità che l’u-UB possa essere usato in maniera efficace quale “carcinogen-derived biomarker” di esposizione a fumo passivo, specificamente dedicato al benzene in esso contenuto. Per questo motivo, si è deciso di procedere secondo due vie differenti: 1. valutare l’impatto dell’inquinamento atmosferico sull’esposizione al benzene in età pediatrica mediante l’uso dei due indici biologici di esposizione (t,t-MA e SPMA) non influenzati dalla variabile fumo passivo; 2. valutare in maniera più approfondita l’esposizione a fumo passivo sull’intake di benzene in età pediatrica. 1. Impatto dell’inquinamento atmosferico sull’esposizione al benzene in età pediatrica mediante l’uso dei due indici biologici di esposizione (t,t-MA e SPMA) non influenzati dalla variabile fumo passivo Le analisi dei dati relativi all’area ad alta urbanizzazione confermano che non ci sono differenze statisticamente significative nei livelli medi di t,t-MA e SPMA nel gruppo dei bambini esposti a fumo passivo rispetto ai non esposti; procedendo al confronto dei valori medi dei due metaboliti urinari del benzene dei bambini residenti nelle tre aree a differente urbanizzazione, si evince che esiste un andamento incrementale, statisticamente significativo, dei livelli medi di SPMA nei bambini residenti rispettivamente nell’area rurale, nell’area a media urbanizzazione e in quella ad alta urbanizzazione, con valori di SPMA pari a 0,22, 0,28 e 0,92 µg/g creatinina, mentre i risultati relativi al t,t-MA evidenziano valori medi più alti nei bambini residenti nell’area a media urbanizzazione rispetto a quelli che vivono nell’area ad alta urbanizzazione. A tal proposito, bisogna sottolineare che il t,t-MA, oltre ad essere un metabolita del benzene, deriva anche dell’acido sorbico, sostanza utilizzata come conservante nelle industrie alimentari, farmaceutiche e cosmetiche e riscontrabile in molti alimenti di uso quotidiano, compresi dolci e caramelle; pertanto, il t,t-MA può risultare poco specifico come indicatore dell’esposizione a benzene (Ruppert et al. 1997). Di conseguenza, il metabolita SPMA è risultato il miglior indice biologico di esposizione a benzene derivante dall’inquinamento atmosferico nel campione di bambini indagato. 2. Valutare in maniera più approfondita l’esposizione a fumo passivo sull’intake di benzene in età pediatrica. La letteratura scientifica evidenzia alcuni punti sostanziali: • il fumo passivo rappresenta un fattore di rischio non trascurabile per la salute, soprattutto per i bambini (US Public Health Service 2006); • nel fumo passivo sono presenti più di 5000 composti e molti di questi sono tossici o cancerogeni, compreso il benzene (IARC 2004); • l’ambiente domestico rappresenta la principale fonte di esposizione, anzi addirittura alcuni autori ipotizzano che la politica sanitaria di introdurre il divieto di fumo negli ambienti pubblici possa aumentare l’abitudine al fumo di sigaretta in casa (IARC 2004); • il benzene è una sostanza leucemogena e numerosi studi sono stati effettuati per valutare l’associazione tra esposizione a fumo passivo nei primi anni di vita e leucemia infantile e, anche se i risultati degli studi sono contrastanti (Chang 2009), è verosimile che l’esposizione precoce a benzene da fumo passivo possa aumentare il rischio di patologie in età adulta; l’esposizione a benzene da fumo passivo è stata, peraltro, già valutata con diversi bioindicatori, ma nessun marker è risultato utile a tale scopo (Hecht 2004). Si è proceduto con la ricerca per tentare di rispondere a due domande ancora irrisolte: – il benzene tal quale urinario può essere impiegato in maniera efficace come tobacco-related carcinogen biomarker? – qual è l’impatto dei comportamenti dei conviventi fumatori sull’esposizione a benzene dei bambini? A tal fine, sono stati considerati solo i dati analitici e le informazioni derivanti dai questionari dei bambini residenti nell’area rurale, in modo da evitare quanto più possibile l’influenza del benzene presente nell’aria atmosferica a causa del traffico autoveicolare. Innanzitutto, i risultati delle elaborazioni dei dati hanno evidenziato che le concentrazioni medie di u-UB negli esposti a fumo passivo sono circa quattro volte maggiori rispetto ai bambini non esposti; tale risultato è supportato dalla relazione lineare statisticamente significativa tra u-UB e u-cotinina nei bambini esposti, ma non nei bambini non esposti. Successivamente, al fine di valutare l’impatto dei comportamenti, i bambini esposti al fumo passivo sono stati suddivisi in tre gruppi: quelli che vivono con fumatori che non fumano in casa, fumano in casa quando non c’è il bambino e fumano in casa anche quando il bambino è presente. La concentrazione di benzene cresce significativamente in parallelo all’esposizione al fumo passivo: dai non esposti agli esposti con divieto di fumo in casa agli esposti che vivono con fumatori che hanno l’abitudine di fumare in casa quando il bambino non è presente, fino agli esposti che vivono con fumatori che hanno l’abitudine di fumare in casa anche quando il bambino è presente. Tali risultati permettono due considerazioni essenziali: innanzitutto il benzene tal quale potrebbe essere un buon indice di esposizione a benzene specificamente derivante dal fumo passivo e, in secondo luogo, esistono differenze nei livelli di escrezione urinaria di benzene già evidenziabili tra i bambini esposti ma con conviventi fumatori che dichiarano di fumare in casa quando il bambino non è presente o di non fumare in casa rispetto ai non esposti. Quest’ultima considerazione ha spinto a proseguire la ricerca per approfondire l’impatto dei comportamenti e l’influenza della Home Smoking Policy in un campione più numeroso di individui di età pediatrica mediante il marker biologico di esposizione a fumo passivo per eccellenza, la cotinina. A tal fine sono state condotte una serie di elaborazioni dei dati riguardanti 501 bambini; per evitare interferenze nel metabolismo della cotinina dovute a differenze etniche, sono stati inclusi nelle analisi dei dati solo i figli di soggetti caucasici, per un totale di 396 bambini (52,3% maschi). I risultati hanno evidenziato che i livelli medi di u-cotinina mostrano un andamento incrementale statisticamente significativo secondo le abitudini al fumo dei conviventi: 1,79 - 2,84 - 3,09 e 6,02 µg/g creatinina rispettivamente nel caso in cui i conviventi non fumano, fumano solo fuori casa, fumano in casa quando non c’è il bambino, fumano in casa anche quando è presente il bambino. In merito al fatto che l’esposizione a fumo passivo aumenta in maniera significativa nei bambini con conviventi che dichiarano di fumare in casa solo quando il bambino non è presente o che fumano solo fuori casa rispetto ai bambini non esposti a fumo passivo, deve essere citato il complesso fenomeno definito “third-hand” smoke (Winickoff et al. 2009) o fumo di “terza mano” (per distinguerlo dal fenomeno che viene definito secondhand smoke) ossia il fumo di tabacco che persiste dopo che la sigaretta è stata spenta. In particolare, è stato dimostrato che molti dei costituenti del fumo, compreso il benzene, possono contaminare a lungo la pelle e i capelli dei fumatori e persistere per settimane negli ambienti confinati. Di conseguenza, l’abitudine di fumare fuori casa o in casa quando non c’è il bambino, può ridurre l’esposizione ai tossici presenti nel fumo di sigaretta, ma non garantisce una protezione completa. 4. PRINCIPALI CONCLUSIONI I risultati della presente Tesi di Dottorato permettono di trarre alcune conclusioni e spunti di riflessione: – le principali sorgenti di esposizione a benzene nel campione di bambini indagati sono risultate l’urbanizzazione dell’area di residenza, indice indiretto di inquinamento atmosferico, e l’esposizione a fumo passivo; – tra gli indici biologici di esposizione utilizzati con efficacia per la valutazione dell’esposizione a benzene in ambito occupazionale e per la popolazione generale: – l’u-SPMA è risultato un buon biomarker di valutazione per l’esposizione a benzene derivante dall’inquinamento atmosferico nel campione di bambini indagato; – l’u-UB può essere impiegato con successo come tobacco-related carcinogen biomarker nella valutazione dell’intake di benzene derivante dal fumo passivo; – l’assunzione di benzene specificamente correlata con l’esposizione a fumo passivo varia secondo i comportamenti dei conviventi fumatori in ambiente domestico, con differenze nei livelli di escrezione urinaria di benzene già evidenziabili tra i bambini esposti ma con conviventi fumatori che dichiarano di fumare in casa quando il bambino non è presente o di non fumare in casa rispetto ai non esposti; – i comportamenti e le Home Smoking Policies adottate dai fumatori in ambiente domestico incidono in maniera significativa sull’esposizione a fumo passivo la quale, globalmente, risulta derivare dalla sommatoria delle esposizioni a secondhand smoke e thirdhand smoke; tale risultato è di fondamentale importanza per diversi motivi: – appropriatezza della terminologia: il termine secondhand smoke, spesso utilizzato come sinonimo di fumo passivo, rappresenta solo una parte del fenomeno; pertanto, sarebbe più appropriato utilizzare il termine “fumo passivo” oppure “environmental tobacco smoke” quando si tratta l’argomento; – approfondimenti negli studi di valutazione all’esposizione a fumo passivo: nella stima dell’esposizione a fumo passivo andrebbe considerato il singolo contributo del secondhand smoke e thirdhand smoke; – implicazioni per i policy makers nell’ambito delle politiche sanitarie: la riduzione dell’esposizione al fumo passivo rappresenta un obiettivo prioritario di politica sanitaria, come esplicitato dall’introduzione del divieto di fumo nei luoghi pubblici da parte di numerosi paesi. L’ambiente domestico rimane, comunque, il luogo a maggior rischio di esposizione a fumo passivo, anche quando sono adottati comportamenti ritenuti cautelativi, come fumare fuori casa o in casa solo in assenza dei bambini. Oltre ai divieti di fumo applicati per legge negli ambienti pubblici, sono essenziali interventi di promozione alla salute sui genitori, al fine di incrementare la loro consapevolezza sugli effetti negativi dovuti all’esposizione a fumo passivo durante l’infanzia e di aumentare le conoscenze in tema di secondhand smoke e thirdhand smoke e di idonei comportamenti cautelativi.   RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI ACGIH (American Conference of Governmental Industrial Hygienists). TLVs and BEIs. Based on the documentation of the threshold limit values for chemical substances and physical agents and biological exposure indices. American Conference of Governmental Industrial Hygienists, Cincinnati; 2009. Anderson LM, Diwan BA, Fear NT, Roman E. 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