XENOBIOTICI NEL LATTE ED ATTIVITA’

NEUROENDOCRINAGemma Calamandrei

Dipartimento di Biologia cellulare e Neuroscienze,Istituto Superiore di Sanità,

Roma

ISS, Roma, 21-22 giugno 2007

Il latte e i prodotti derivati dal latte rappresentano la componente

principale dell’alimentazione del bambino nei primi anni di vita

- Latte materno- Latte in formula e latte vaccino

- Yogurt

L’ OMS raccomanda

• allattamento al seno esclusivo per i primi 6 mesi

• continuare ad allattare, con l’aggiunta di altri alimenti fino a due anni ed oltre.

Risoluzione dell’Assemblea Mondiale della Sanità 54.2 (2001)

Allattamento al seno in Italia

prime 48 ore 85% 91%dimissione 83% 89%3 mesi 42% 66%6 mesi 19% 47%9 mesi 10% 25%12 mesi 4% 12%

19991995

esclusivo alla dimissione

70% 77%

Giovannini M et al., Acta Paediatr. 2003; 92(3):357-63

EFFETTI BENEFICI DELL’ALLATTAMENTO AL SENO

• nutrizionali• immunologici• endocrinologici• neurologici

Cosa c’è di buono nel latte materno?

• Nutrienti (carboidrati, proteine, grassi, minerali, vitamine, elementi in tracce)

• Enzimi con funzioni anti-infettive, digestive, funzioni legate all’assimilazione dei nutrienti, ecc.

• Anticorpi ed altri fattori immunitari che mancano al neonato

• Citochine ed altri agenti anti-infiammatori• Fattori di crescita• Ormoni

Enteric and Respiratory PathogensCommonly Targeted By

Secretory IgA Antibodies in Human MilkEnteric

• Bacteria, Toxins, Virulence FactorsClostridium difficile, Escherichia coliSalmonella sppShigella sppVibrio cholerae

• ParasitesGiardia lamblia

• VirusesPoliovirusesRotaviruses

• BacteriaHaemophilus influenzaeStreptococcus pneumoniaeKlebsiella pneumoniae

• VirusesInfluenza virusesRespiratory syncytial virus

• Fungi Candida albicans

• Food ProteinsCow's milkSoy

Respiratory

Fattori di crescita e ormoni nel latte materno

• Epidermal Growth Factor (EGF)• Insulin-like Growth Factor (IGF-I;IGF-II)• Nerve Growth Factor (NGF)• Transforming Growth Factor (TGF)• Prolattina• Corticosterone• Insulina

Agenti ad attività anti-infiammatoria nel latte materno

• Antiossidanti (scavengers dei radicali)• Enzimi antiproteasici• Prostaglandine (citoprotezione, riparazione

del danno cellulare)

Sistema nervoso

Sistema immunitario Sistema endocrino

Latte materno come sistema biologicoche garantisce l’omeostasi neuroimmunoendocrina

L’allattamento al seno ècorrelato con

• Ridotta mortalità infantileesempi: Brasile, Pakistan e Filippine; USA

• Ridotto rischio di malattie infettiverespiratorie, gastrointestinali (e.g enterocolite necrotizzante)

• Ridotto rischio di malattie croniche (diabete tipo I, celiachia, cancro, morbo di Crohn)

• Migliore sviluppo cognitivo

EFFETTI DELL’ALLATTAMENTO AL SENO SULLO SVILUPPO NEUROPSICOLOGICO

Ruolo degli acidi grassi poliinsaturi a catena lunga (in moltiaggiunti al latte in formula)> Studi su larga scala hanno mostrato che i neonati allattati al seno hanno punteggi QI più elevati durante l’infanziae all’adolescenza (Quinn et al., 2001)> Ma quando questi dati vengono corretti in base alle variabili sociodemografiche gli effetti dell’allattamento al seno sul QI diventano meno evidenti (Jain et al., 2002)

In generale, l’allattamento al seno, soprattuttose prolungato, sembrerebbe segnalare unamigliore qualità della relazione parentale

EFFETTI NEUROPSICOLOGICIDELL’ALLATTAMENTO AL SENO

NEI NEONATI PREMATURI

L’alimentazione al seno influisce significativamentesulla maturazione neurologica e comportamentale del pretermine

Fattori psicobiologici

Fattori nutrizionali Fattori psicologici

Come l’allattamento influenza lo sviluppo cognitivo

La suzione ma anche il contatto fisico tra madre e neonato stimolanoil rilascio di ossitocina dall’ipofisi posteriore. Oltre a stimolare la produzione di latte l’ossitocina ha effettisul comportamento materno (minore incidenza depressione postparto)

Nel latte materno oltre a sostanze con effetti benefici sullo sviluppo del neonato si trovano xenobiotici di diversa natura

Valutazione rischio/beneficio

Molte di queste sostanze possono avere effetti avversi sullo sviluppo di

organi e sistemi, alterando gli equilibri neuroimmunoendocrini in

fasi critiche di maturazione

Contaminanti chimici presenti nel latte materno

Inquinanti Organici Persistenti (POPs)• Pesticidi Organoclorurati

(OC), e.g. DDT, Dieldrin, Heptachlor

• Bifenili Policlorurati (PCB)• Diossine e Furani• Polibromodifenileteri (PBDE)

Altri pesticidi• Organofosforici

Metalli • piombo• mercurio

Solventi

Altri?

Contaminanti organici policlorurati: 1) biomagnificazione

hanno la capacità dirisalire la catena alimentare, giungendo finoall’uomo.

Il lattante si colloca al livello più alto dellacatena alimentare

Biomagnificazionearricchimento esponenzialedi un contaminante nellacatena alimentare

2) Bioaccumuloarricchimento di una sostanza negli organismi attraverso qualunque via (respirazione, ingestione cibo, contatto).

branchia,

foglia,

superficie

respiratoria

Accumulo Nel tessuto adiposo

fluidi

circolanti

metabolismo

escrezione

tratto

gastro-

intestinale

dieta

respirazione

altre vie

Accumulo di xenobiotici potenzialmente tossici nel tessuto adiposo dei mammiferi

• Il latte, sia materno che vaccino, ha un’elevata composizione lipidica.

• Si calcola che il 90% dell’esposizione umana non occupazionale derivi da alimenti di origine animale.

• Di questo 90%, circa il 30% viene dal latte e dai prodotti derivati

DIOSSINE

2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-diossina: il composto più tossico del gruppo (TCDD)

Con questo termine si indicano 75 congeneri delle policlorodibenzo-p-diossine (PCDD), caratterizzati da forte persistenza e grande capacità di penetrare nelle catene alimentari ed alcuni dei quali dotati di elevata tossicità. Non hanno utilità pratiche, ma si formano come prodotti secondari di reazioni industriali o di combustioni. Possono inquinare il tereno e l’acqua ed entrare nella catena alimentare

O

O

ClyClx

Altri contaminanti presentano un’azione tossica simile a quella delle diossine, e per questo sono chiamati diossino-simili; fra questi vi sono i policlorodibenzofurani (PCDF), ed alcuni policlorobifenili (PCB).

PCDF

O

ClyClxortho

meta

para

X

XX

XXX

X X XX

1

23

4

5 61'

2' 3'

4'

5'6'

X = Cl o H

PCB (non-ortho)

FATTORI DI EQUIVALENZA TOSSICA (TEF) E DETERMINAZIONE DEI 2,3,7,8-TCDD EQUIVALENTI

Le diossine ed composti diossino-simili vengono rilevati come miscele complesse; inoltre non tutti i congeneri sono tossici o lo sono alla stessa maniera. Per permettere il confronto dei dati, i risultati analitici vengono espressi come tossici equivalenti che fanno riferimento alla 2,3,7,8-TCDD. Moltiplicando la concentrazione dei singoli congeneri di PCDD, PCDF e PCB per il relativo fattore equivalente (TEF), è possibile calcolare i 2,3,7,8-TCDD equivalenti (TEQ), applicando la seguente equazione:

TEQ = Σ (PCDDi x TEFi) + Σ (PCDFi x TEFi) + Σ (PCBi x TEFi)

Latte materno nella popolazioneInuit del Quebec, Canada:a un anno di vita un bambino allattato al seno avrà un contenuto corporeo medio di composti diossino-simili 6 volte piùelevato di un bambino non allattato al seno (44 ppt TEQ/g lipidi vsbody burden adulto di 25 ppt TEQ/g lipidi)

Lorber & Phillips, EHP, 110 (6), 2002

Cosa c’è nel latte vaccino

• Il latte vaccino contiene ormoni steroidi quali estradiolo e testosterone, e peptidi ormonali quali il fattore di crescita insulino-simile 1 (IGF-1).

• Calcio e proteine , protezione da osteoporosi• Ma anche contaminanti, in particolare POPs

Concentrazioni POPs (pg/g di grasso) nel burro in diversi paesi europei (2003)

Concentrazioni POPs nel latte vaccino in commercio in Belgio (2005)

Tutti i contaminanti presenti nel latte possono avere effetti tossici

anche a livelli di concentrazione al di sotto del TDI (tolerable daily intake) stabilito

dall’UE in 1-4 pg TEQ/kg bw/day

Effetti additivi tra esposizione in utero ed esposizione attraverso l’allattamento e la

dieta?

I bambini sono più vulnerabili?La loro dieta li rende più esposti?

perturbazione di molteplici processi maturativi nel sistema

nervoso, endocrino, immunitario

Contaminanti ambientali: esposizione protratta e a basse dosi

effetti funzionali differenti indotti dallo stesso agente

Effetti di PCDD, PCDF, PCB

cloracne, iperpigmentazione cutaneaEpatotossicitàImmunotossicitàCancerogenicità: 2,3,7,8-TCDD classe 1 IARCinterferenze sul sistema endocrino

Per le loro capacità di penetrare nelle reti alimentari, la tossicità e l’elevata persistenza, la produzione e l’utilizzo di questi composti è stato regolamentato dalla Convenzione di Stoccolma

Sistema endocrino

• Il sistema endocrino controlla la maturazione, lo sviluppo, la crescita e la regolazione dell'organismo. È composto da ghiandole (come la pituitaria, il pancreas, le surrenali, i testicoli) e di ormoni, che sono i messaggeri chimici naturali. Le ghiandole endocrine secernono precise quantità di questi messaggeri chimici nel torrente circolatorio. Gli ormoni raggiungono differenti distretti dell'organismo e si legano a specifici recettori allo scopo di controllare e regolare molte funzioni vitali.

Gli agenti con attività di interferentiendocrini possono alterare il legame dell’ormone naturale con il propriorecettore sulle cellule bersaglio attraverso diversi meccanismi:mimano l’azione dell’ormone,bloccano il recettore o le proteine di trasportodell’ormone stesso impedendo la correttastimolazione ormonale in momenti criticidello sviluppo di organi e sistemi

Interferenti endocrini: comeagiscono?

Policlorobifenili (PCB)Effetti endocrini:• Alterazione dello sviluppo sessuale • Endometriosi • Alterazione delle funzioni tiroidee e

immunitarie

Effetti neurocomportamentali:- diretti - sul sistema nervoso- indiretti - tramite il sistema endocrino

Effetti neurocomportamentalidell’esposizione ai PCB durante

lo sviluppoUSA: studi di follow-up su diverse coorti di bambini nati

da madri che consumavano pesce con elevato contenuto di PCB durante la gravidanza e l’allattamento:

- Esposizione prenatale e postnatale valutata mediante la misurazione dei livelli di PCB (diversi congeneri) nel sangue del cordone ombelicale e nel latte materno

- Valutazione dello sviluppo neuropsicologico attraverso batterie di test che saggiano differenti competenze comportamentali alle diverse età

Concentrazioni di PCB e altri contaminanti nel latte materno e nel sangue del cordone ombelicale

Risultati concordanti nelle diverse coorti di bambini studiate:

correlazione negativa tra la concentrazione di PCB nel sangue del cordone e indici neuropsicologici a diverse età

Jacobson and Jacobson, 1996, N Engl J Med: difficoltàcognitive, attenzionali e nella lettura all’età di 11 anni che correlavano significativamente con i livelli di PCB nel sangue del cordone ombelicale

Stewart et al., 2000, Neurotoxicol Teratol: rallentamento dei riflessi alla nascita, a 6 e 12 mesi di vita inferiori prestazioni di memoria visiva, effetti che correlavano significativamente con le concentrazioni di PCB nel sangue del cordone.

Stewart et al., 2003, Neurotoxicol Teratol

PCBs: PERVASIVE DEVELOPMENTAL EFFECTS

Infant– Birth weight – Head circumference – Gestational age– Performance on Brazelton Neonatal

Behavioral Assessment (BNBA) - motor immaturity, poor lability, startle

PCBs: PERVASIVE DEVELOPMENTAL EFFECTSEarly Childhood

– Memory, attention, verbal ability, information processing

– Psychomotor development– Sustained activity, high level play– Withdrawn, depressed behavior– Hyperactivity

Preteen– Word and reading comprehension– Full scale and verbal IQ– Memory and attention

Olanda -Patandin et al., 1999, J Pediatr: valutazione a 3, 7, 18, 42 e 84 mesi di età di sviluppo neurologico e posturale, maturazione psicomotoria, cognitiva e sviluppo del linguaggio. Effetti negativi delle concentrazioni più elevate di PCB/diossine soprattutto nel sangue materno e in quello del cordone.

Effetti neurocomportamentali dell’esposizione ai PCB durante lo sviluppo: studi europei

Germania - Winneke et al.,1998, Toxicol Lett: correlazione significativa traPCB (tre congeneri) nel sangue del cordone e in campioni di latte materno,e punteggi ottenuti dai bambini nella batteria di valutazione dello sviluppo infantile di Bailey.

Great Lakesfish eaters

Midwest andNortheast US women

Michigan mothers

PCB BLOOD LEVELS

(ppb)

REPORTED HUMAN

EXPOSURES

REPORTED HEALTH EFFECTS

5

10

15

20

0

Wisconsin womenNorth Carolina mothers

Great Lakesnon-fish eaters

Dutch mothers

PCBs: Inadequate Margin of Safety

Decreased reflexes, memory, IQ,attention, & visual discrimination

Decreased attention, cognitive ability,high level play, & psychomotor development; Increased withdrawn/depressed,increased hyperactivity.

IN OFFSPRING

Meccanismi di neurotossicitàdi PCB e diossine

1- Direttamente su neuroni e glia attraverso recettore arilico: alterazione omeostasi del Ca2+ e della sequenza di eventi intracellulari Ca-dipendenti

2- Interferenza con le funzioni endocrine: sviluppo della tiroide e azione estrogeno-simile.

PRINCIPALI TAPPE DELLO SVILUPPO CEREBRALE

Protratto periodo di organogenesi (dal concepimento all’adolescenza)

-comparsa della placca neurale (15-17 giorni dal concepimento) -formazione del tubo neurale (26° giorno)-proliferazione cellulare e migrazione dal lume del tubo neuraleverso le sedi definitive-primo abbozzo degli emisferi cerebrali (fine del 1° mese)-comparsa della struttura cellulare stratificata della corteccia (2° mese)-fine della fase proliferativa (5°/6° mese)-differenziazione dei neuroni (crescita dei prolungamenti dendritici e assonali)

-sinaptogenesi-eliminazione delle sinapsi soprannumerarie (morte cellulare programmata)-mielinizzazione (fino al termine dell’adolescenza)

Sviluppo degli emisferi cerebrali

Sviluppo delle connessioni tra neuroni nella corteccia cerebrale

1 mese 3 mesi 2 anni

Processo di maturazione modulato da ormoni steroidi e tiroidei

Fattori che regolano l’ontogenesi del sistema nervoso

• Genetici: espressione sequenziale di geni che determinano il destino del singolo neurone (assemblaggio)

• Ambientali: regolano le connessioni tra neuroni, ossia sinaptogenesi e morte programmata (pe fattori neurotrofici e ormoni). Stimoli sensoriali (visivi, acustici, olfattivi, ecc.) che conducono alla progressiva specializzazione di aree e strutture cerebrali

Gli ormoni sono importanti regolatori dello sviluppo cerebrale nel periodo fetale e

postnatale

• controllano la proliferazione gliale e neuronale

• regolano la migrazione dei neuroni• modulano la sinaptogenesi e i processi

più tardivi di mielinizzazione

PCB/diossine e funzione tiroidea• I PCB, diossine ed ormoni tiroidei T3 e T4

presentano una struttura stereochimica simile• PCB e diossine si legano sia al recettore arilico

Ah che ai recettori per gli ormoni tiroidei, e competono per il sito di legame con le serumcarrier proteins per gli ormoni tiroidei

• L’esposizione di ratte gravide al PCB Aroclor1254 induce nella progenie una marcata riduzione dei livelli di T4 sia nel plasma che a livello cerebrale

PCB/diossine e funzione tiroidea, II

• T4 ha un ruolo determinante nella maturazione del SNC, e una riduzione dei livelli circolanti e tissutali di questo ormone in fasi critiche dello sviluppo fetale e neonatale può avere effetti a lungo termine sul comportamento dell’individuo

• Evidenze su alterazioni tiroidee in neonati esposti PCB non conclusive

Disponibilità di ormoni tiroidei durante lo sviluppo prenatale/neonatale

in relazione alla maturazione del SNCConception 12wks Birth 2yrs

Fetal/neonatal TH

Maternal TH

Cerebral neurogenesis, migration

Cerebral neurogenesis

Neuronal differentiation, synaptogenesis

gliogenesis

myelinogenesis

La sinaptogenesi delle cellule piramidali dell’ippocampo è regolatadagli ormoni tiroidei

Gli ormoni tiroidei regolano positivamente (trascrizione del gene + aumenti livelli NGF) i livelli dell’ormone di sintesi del neurotrasmettitore acetilcolina(ChAT) e favoriscono lo sviluppo della connessione setto-ippocampale

Nuclei colinergici del prosencefalo basale

Olfactory bulb

to frontal

to parietal to temporal

hippocampus

NBMMSVDB

HDB amygdala

- regolano le funzioni cognitive e attenzionali- modulano la morfogenesi della corteccia

NGF T3

Ruolo degli ormoni steroidei nello sviluppo del sistema nervoso centrale

• recettori per gli estrogeni diffusi in molte aree del SNC con rapido incremento attorno alla nascita

• ruolo determinante nel differenziamento sessuale ma anche regolatori della crescita neuronale attraverso meccanismi genomici e non genomici

• recettori per gli estrogeni colocalizzano con il recettore a bassa affinità per il NGF nei neuroni colinergici del setto mediale

Estrogeni come neurotrasmettitori che regolanola plasticità sinaptica

Ormoni steroidi e tiroidei comemodulatori dello sviluppo cerebrale, maanche regolatori della omeostasi neuroendocrinadurante il corso della vita

Estrogeni e plasticità sinaptica(proteggono dalla neurodegenerazione)

Regolazione dei comportamentiriproduttivi nell’età adulta

Ormoni tiroidei e steroidiinfluenzano stati affettivi (depressione)

Ipotalamo come integratore neuroendocrinocontrollo dei comportamenti riproduttivi, della

risposta allo stress, degli stati affettivi

Regolazione ipotalamica delle funzioni neuroimmuno endocrine: integrazione dell’azione

degli ormoni steroidi, tiroidei e di neuropeptidi come ossitocina, vasopressina, etc

L’interferenza con l’azione degli ormoni durante lo sviluppo può avere conseguenze permanenti non solo su parametri riproduttivi (fertilità) e sulla vulnerabilità a tumori dell’apparato riproduttivo, ma anche sui comportamenti complessi (cognizione,affettività) e in generale sulla vulnerabilità a patologie del sistema nervoso centrale (p.e. patologie neurodegenerative)

Esiste una fase critica di suscettibiltàai contaminanti organici persistenti?

Attraverso l’allattamento vengono trasferite al bambino quantità più elevate di contaminanti lipofilici di quanto avvenga in utero

-Tuttavia nel caso dei PCB i deficit nella crescita e nelle funzioni motorie e cognitive sono stati osservati solo in seguito ad esposizione transplacentare, anche quando il latte materno era significativamente contaminato.-Studi animali confermano che gli effetti avversi sullo sviluppo neurocomportamentale si verificano per esposizioni PRENATALI

L’ALLATTAMENTO E’ UNMODIFICATORE DI EFFETTI

A parità di concentrazioni di contaminanti (PCB/diossine) nel sangue del cordone, i bambini non allattati al seno sono più vulnerabili di quelli allattati al seno agli effetti avversi sullo sviluppo neurocomportamentale (Jacobson & Jacobson, 2002)Ovvero i benefici dell’allattamento al seno sono di gran lunga maggiori dei rischi!

Effetti neurocomportamentali dei PCB:Prospettive di ricerca per una corretta

valutazione del rischio• L’esposizione critica è solo quella prenatale ?• Sinergia con MeHg e diossine• Meccanismi di neurotossicità?• Studi animali suggeriscono effetti su parametri

non cognitivi: quali parametri comportamentali analizzare nei bambini a rischio?

• Follow-up fino alla pubertà!• Quali congeneri sono i più tossici?

Scenario reale: esposizione protratta e a basse dosi durante tutto il corso dello sviluppo pre e postnatale

perturbazione di molteplici processi maturativi nel sistema nervoso, endocrino, immunitario

• Nella maggioranza dei casi, l’esposizione ai contaminanti organici persistenti in corso di

sviluppo non induce malformazioni evidenti, ma danni “sottili” che provocano alterazioni dell’asse

neuroendocrino e dei comportamenti da questo regolati, che si manifestano in una fase di sviluppo

successiva, fino all’età adulta

L’ORGANISMO CRESCE NEL PROPRIO DEFICIT!

problemi metodologici: valutazione degli effetti

• Possibili lunghe latenze tra esposizione ed effetto

• effetti sottili, difficili da evidenziare

• ampia variabilità del “normale” in molti degli effetti di interesse

• ampia gamma di possibili effetti (e.g capacitàmotorie, linguistiche, cognitive eccet.)

problemi metodologici: valutazione degli effetti

• numerosi fattori confondenti che possono agire da modificatori di effetti: - altri contaminanti (esposizioni multiple) - fattori genetici- fattori socioculturali (e.g ambiente domestico)- fattori di salute- età della madre- parità

Come valutare il rischio?1- Monitoraggio

• Monitoraggio della qualità del latte materno, del latte vaccino e dei prodotti derivati

• Studi prospettici per determinare tassi di decrescita in concentrazioni dei contaminanti durante l’allattamento

• Comparazione dei livelli di contaminanti nel latte materno con quelli presenti nei latti in formula e nel latte vaccino

2-Quali altri fattori considerare

• Abitudini alimentari e stile di vita della madre

• Livelli e tipi di residui di contaminanti nel latte materno

• Grado di tossicità dei contaminanti• Effetti additivi o sinergici tra le varie

classi di contaminanti• Livello dei residui nell’acqua, nei latti in

formula e negli alimenti per bambini

COME RIDURRE IL RISCHIO?•Data la persistenza di molti contaminati nell’organismo,una modifica delle abitudini alimentari della donna in gravidanza potrebbe non essere sufficiente a proteggere il feto e il neonato Tuttavia va segnalato alle donne che la dieta può contribuire a ridurre il “body burden” materno e quindi a ridurre il rischio per il feto e il neonato.

1) Alimentazione variata e riduzionedel consumo di grassi animali2) Misure globali di riduzione nellaproduzione di contaminanti potenzialmente tossici

Il banning è efficace (II)

Heptacloro nel latte materno, Canada 1967-1992

Il banning è efficace (III)

PCB nel latte materno, Canada 1967-1992

Il banning è efficace (I)

Dieldrina nel latte materno, Canada 1967-1992

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

Year

PB

DE

(ng/

g fa

t)

0

20

40

60

80

100

120

TEQ

(pg/

g fa

t)

PBDETotal TEQ (PCDD/PCDF/PCB)

Organohalogen Compounds in Breast Milk in Sweden

Il banning è efficace, ma ecco che...

What is to be considered safe?Mercury: Declining Threshold of Harm

20001990198019700.01

0.1

1

10

100

YEAR

Level associated withharmful effectRegulatory standard (maximum safe exposure or highend exposure from allowed fishcontamination)

FDA WHO

EPA

ATSDRDA

ILY

INT

AK

E(m

icro

gram

s/kg

/day

Hg)