Tossicologia riproduttiva delle nanoplastiche di Polistirene: rischi emergenti per spermatozoi ed embrioni.

Polystyrene is a ubiquitous plastic polymer, hard to degrade and therefore long-lived and permanent in different environmental matrices where large plastic wastes (macroplastics) are broken down into smaller fragments (micro- and nanoplastics). Different animal models were chosen to assess its effect on spermatozoa: Mytilus galloprovincialis (Lamark, 1819), Paracentrotus lividus (Lamark, 1816) and human. After collecting the samples, spermatozoa were exposed for 30 min to amino-modified polystyrene nanoparticles (nPS-NH2) with a diameter of 50 nm (fluorescent in blue) and 100 nm (fluorescent in orange), at different concentrations (1-10-20-50-100 μg/L for aquatic organisms and 0.01- 0.1-0.5-1 μg/mL for humans), and then biochemical, molecular, and structural parameters of sperm cells (motility, viability, acrosomal damage, acrosomal reaction, oxidative stress, DNA fragmentation and mitochondrial activity) were assessed, evaluating also the possible protective responses like the HSP70 expression. The analysis of the effects of the same nPS-NH2 was also performed in the model organisms Artemia salina (Linnaeus, 1758) and Danio rerio (Hamilton,1822), selected for embryonic development. Following standardized protocols, after exposure to nPS-NH2 (48 h for A. salina and 96 h for D. rerio), various parameters such as viability, occurrence of malformations, localization of nPS-NH2 throughout embryonic development, oxidative stress, stimulation of apoptosis and hatching rate were evaluated. The obtained results showed a substantial worsening of all the semen parameters analyzed for aquatic organisms and an increase in acrosome damage with a stimulation of HSP70 for humans. Regard embryonic development, interesting results were obtained especially in the case of D. rerio. Indeed, the ability of the nPS-NH2 to penetrate the chorion and reach the embryo in the very early stages of development was highlighted, in contrast to the larger nPS-NH2 that were captured by the larvae only after hatching. The final localization at eye level prompted an interest in investigating possible receptors involved in nPS-NH2 binding. Therefore, an in silico analysis was carried out to assess their affinity towards three fundamental receptors involved in embryonic neurodevelopment: STRA6, Adgrg6 and CNTN4/APLP2. This highlighted the endocrine-destroying activity of nPS-NH2 towards the Adgrg6 receptor, which is expressed in the nervous system, underlining their neurotoxicity. Furthermore, organisms exposed to the highest concentrations showed delayed hatching, increased body malformations and increased apoptosis (at the level of the nasal dimples). Apoptosis was also identified in A. salina embryos mainly at the level of the head and the anterior part of the intestine. In a futuristic view, the decline in gametic quality and the induction of abnormal embryonic development may be responsible for the decrease in the number of organisms in a population and the disequilibrium of ecosystems.

Il polistirene è un polimero plastico ubiquitario, difficile da degradare e quindi longevo e permanente in diverse matrici ambientali dove i rifiuti plastici di grandi dimensioni (macroplastiche) vengono scomposti in frammenti più piccoli (micro e nanoplastiche). Per valutare il suo effetto sugli spermatozoi sono stati scelti diversi modelli animali: Mytilus galloprovincialis (Lamark, 1819), Paracentrotus lividus (Lamark, 1816) e uomo. Dopo aver raccolto i campioni, gli spermatozoi sono stati esposti per 30 minuti a nanoparticelle di polistirene ammino-modificato (nPS-NH2) con un diametro di 50 nm (fluorescenti in blu) e 100 nm (fluorescenti in arancione), a diverse concentrazioni (1-10-20-50-100 μg/L per gli organismi acquatici e 0,01- 0,1-0. 5-1 μg/mL per l'uomo), e successivamente sono stati valutati i parametri biochimici, molecolari e strutturali delle cellule spermatiche (motilità, vitalità, danno acrosomiale, reazione acrosomiale, stress ossidativo, frammentazione del DNA e attività mitocondriale), valutando anche le possibili risposte protettive come l'espressione di HSP70. L'analisi degli effetti delle nPS-NH2 è stata eseguita anche negli organismi modello Artemia salina (Linnaeus, 1758) e Danio rerio (Hamilton, 1822), selezionati per lo sviluppo embrionale. Seguendo protocolli standardizzati, dopo l'esposizione all'nPS-NH2 (48 h per A. salina e 96 h per D. rerio), sono stati valutati vari parametri come la vitalità, l'insorgenza di malformazioni, la localizzazione dell'nPS-NH2 durante lo sviluppo embrionale, lo stress ossidativo, la stimolazione dell'apoptosi e il tasso di schiusa. I risultati ottenuti hanno mostrato un sostanziale peggioramento di tutti i parametri seminali analizzati per gli organismi acquatici e un aumento del danno all'acrosoma con la stimolazione di HSP70 per l'uomo. Per quanto riguarda lo sviluppo embrionale, sono stati ottenuti risultati interessanti soprattutto nel caso di D. rerio. Infatti, è stata evidenziata la capacità delle nPS-NH2 di penetrare il corion e raggiungere l'embrione nelle primissime fasi dello sviluppo, a differenza delle nPS-NH2 più grandi che sono stati catturati dalle larve solo dopo la schiusa. La localizzazione finale a livello oculare ha suscitato l'interesse di indagare sui possibili recettori coinvolti nel legame nPS-NH2. Pertanto, è stata condotta un'analisi in silico per valutare la loro affinità verso tre recettori fondamentali coinvolti nel neurosviluppo embrionale: STRA6, Adgrg6 e CNTN4/APLP2. Ciò ha evidenziato l'attività endocrino-distruttiva delle nPS-NH2 nei confronti del recettore Adgrg6, espresso nel sistema nervoso, sottolineando la loro neurotossicità. Inoltre, gli organismi esposti alle concentrazioni più elevate hanno mostrato un ritardo nella schiusa, un aumento delle malformazioni corporee e un incremento dell'apoptosi (a livello delle fossette nasali). L'apoptosi è stata identificata anche negli embrioni di A. salina, soprattutto a livello della testa e della parte anteriore dell'intestino. In una visione futuristica, il declino della qualità gametica e l'induzione di uno sviluppo embrionale anomalo potrebbero essere responsabili della diminuzione del numero di organismi in una popolazione e dello squilibrio degli ecosistemi.