Avaliação citotóxica e gentóxica in vitro, e fisiologia respiratória in vivo, dos efeitos de partículas de carvão e cinzas provenientes de Santa Catarina

Abstract

Durante as atividades de mineração de carvão, grandes quantidades de cinzas, metais, óxidos e hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (HAP) são liberados ao ambiente. As partículas de carvão e cinzas são quimicamente complexas e têm a capacidade de interagir com mecanismos celulares e não celulares que desencadeiam a ativação de macrófagos, células epiteliais e fibroblastos, a liberação de espécies reativas de oxigênio (ERO) e expressão de citocinas. O objetivo do presente estudo foi avaliar a citotoxicidade e genotoxicidade in vitro, e fisiologia respiratoria in vivo, da exposição a partículas de carvão e cinzas provenientes de Santa Catarina-Brasil. Foram avaliadas quatro amostras, duas de carvão mineral (COAL11 e COAL16) e duas de cinzas produto da combustão de cada carvão (CFA11 e CFA16). Particularmente, a amostra CFA16 é produto da co-combustão com óleo combustível e óleo diesel. Na avaliação in vitro, COAL11, COAL16 e CFA16 foram mais citotóxicas do que a cinza CFA11 como avaliado no ensaio clonogênico. A exposição das células V79 às partículas de carvão e cinzas induziram lesões primárias no DNA detectadas no ensaio Cometa Alcalino. Partículas de COAL16 e CFA16, em maiores concentrações, foram capazes de induzir danos oxidativos no DNA em células V79, como demonstrado no ensaio Cometa Modificado (FPG e ENDOIII). Nos biomarcadores do ensaio CBMN-Cyt os resultados mostraram que as concentrações mais altas de carvão e cinzas induziram efeitos citotóxicos e instabilidade cromossômica. In vivo, camundongos BALB/c foram analisados 24 h após instilação intratraqueal com partículas de carvão e cinzas. Os camundongos expostos a partículas de carvão apresentaram rigidez pulmonar e obstruções das vias aéreas centrais quando comparado com o grupo controle, nos parâmetros da mecânica pulmonar. Quando expostos às partículas de carvão e cinzas, os animais mostraram recrutamento de células, principalmente as mononucleares, e expressão de citocinas, principalmente TNF-α e IL-1β, quando comparado com o grupo controle. Na histologia, não foram encontradas alterações significativas nos alvéolos, nem formação de fibras elásticas e colágenas. Resultados no ensaio Cometa Alcalino mostraram efeitos genotóxicos significativos em células de sangue periférico nos animais expostos a partículas de carvão e cinzas. As análises dos elementos inorgânicos usando o método PIXE, demostraram translocação extrapulmonar de metais ao fígado, baço e encéfalo. Comparativamente, de todas as amostras avaliadas, a CFA11 apresentou o maior diâmetro no tamanho das partículas como avaliado mediante análise de difração de laser. Os resultados demostraram que o processo de combustão altera a toxicidade das partículas de carvão, e o uso de combustíveis adicionais dentro do processo de queima, como foi o caso da amostra CFA16, muda as caraterísticas das partículas geradas quanto ao tamanho e toxicidade das mesmas. Estes resultados in vitro e in vivo estão relacionados com os compostos contidos na superfície das partículas, tais como óxidos, metais e HAP detectados nas amostras. Este conjunto de dados aportam ao estado do conhecimento sobre os riscos da exposição continua a este tipo de partículas.

During the coal mining activities, large amounts of fly ash, metals, oxides and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) are released to the environment. Coal and fly ash particles are chemically complex and are capable of interacting with cellular and non-cellular mechanisms that trigger the release of reactive oxygen species (ROS) and expression of cytokines from activated macrophages, epithelial cells and fibroblasts. The aim of this study was to evaluate the cytotoxicity and genotoxicity in vitro, and respiratory physiology in vivo, of exposure to coal and coal fly ash particles from Santa Catarina-Brazil. Four samples were collected, two from coal (COAL11and COAL16) and two from coal fly ash released during combustion (CFA11 and CFA16). Particularly, the CFA16 sample was the product of co-firing with fuel oil and diesel oil. In vitro evaluation, COAL11, COAL16 and CFA16 were more cytotoxic than CFA11sample as assessed in clonogenic assay. The exposure of V79 cells to coal particles and coal fly ash induced primary DNA damage detected in Comet Alkaline test. COAL16 and CFA16 particles, at higher concentrations, were capable of inducing oxidative DNA damage in V79 cells, as demonstrated in the Modified Comet assay (FPG and ENDOIII). Results in the biomarkers CBMN-Cyt test showed that higher concentrations of coal and coal fly ash particles induced cytotoxic effects and chromosomal instability. In vivo, BALB/c mice, were analyzed 24 h after intratracheal instillation with coal and coal fly ash particles. The mice exposed to coal particles showed significant rigidity and obstruction of the central airways when compared with the control group. In addition, the animals showed recruitment of cells, mainly mononuclear cells, and expression of cytokines, particularly TNF-α and IL-1β as compared to the control group. Histologically, there were no significant alterations in the alveoli, or formation of elastic and collagen fibers. Alkaline Comet assay results showed significant genotoxic effects on peripheral blood cells in animals exposed to coal and coal fly ash particles. The analysis of inorganic elements using the PIXE method demonstrated the efficient metal extrapulmonary translocation into the bloodstream to the liver, spleen and brain. When comparing particle size, CFA11showed the largest diameter as assessed by analysis of laser diffraction. The results showed that the combustion process alters the toxicity of coal particles and the use of additional fuel in the firing process, modifies the toxicity and size of the particles, as was the case of the CFA16 sample. These results in vitro and in vivo are associated with the compounds contained in the surface of the particles, such as oxides, metals and PAH detected in these samples. This study contribute to the state of knowledge of the risks of continuous exposure of these particles.