Infertilità maschile e ambiente : un problema da non sottovalutare

E’ stato effettuato uno studio sistematico di biomonitoraggio umano sulla qualità del seme di giovanissimi sani, condotto tra il 2015 e il 2024 nell’ambito del Progetto di Ricerca EcoFoodFertility.
Un giovane sano su due che vive in aree inquinate ha lo spermiogramma alterato e ‘contaminato’.

In Italia, ci sono alcune aree che hanno alti livelli di inquinamento. Una regione con un inquinamento sostanziale è la Terra dei Fuochi, un’area tra Napoli e Caserta che è stata invasa da discariche illegali di rifiuti e incendi tossici, spingendo alla creazione del progetto EcoFoodFertility, che è uno studio di biomonitoraggio multicentrico con l’obiettivo di sviluppare una migliore comprensione dell’impatto ambientale delle sostanze tossiche sulla salute umana .

La Valle del Fiume Sacco (VSR) (Lazio, Italia) è un’area con una produzione chimica industriale su larga scala che ha portato nel tempo a una significativa contaminazione del suolo e delle falde acquifere con vari inquinanti industriali, come pesticidi organici, diossine, solventi organici, metalli pesanti e, in particolare, composti organici volatili (VOC). Nel presente studio, abbiamo esaminato il potenziale impatto dei VOC sugli spermatozoi di giovani maschi sani che vivono nella VSR, data la presenza prevalente di diversi VOC nello sperma di questi individui. Per raggiungere questo obiettivo, sono stati condotti degli spermiogrammi seguiti da analisi molecolari per valutare il contenuto di proteine basiche nucleari dello sperma (SNBP) oltre al rapporto protamina-istone e al legame al DNA di queste proteine. Abbiamo trovato drastiche alterazioni negli spermatozoi di questi giovani maschi che vivono nella Valle del Sacco. Sono state osservate alterazioni nella morfologia, nella e nella conta degli spermatozoi e nei rapporti protamina/istone, e hanno incluso significative riduzioni nella capacità di legame delle proteine basiche nucleari dello sperma umano SNBP-DNA. I nostri risultati forniscono indicazioni preliminari di una possibile correlazione tra le alterazioni osservate e la presenza di VOC specifici.
Questo studio fa parte del progetto EcoFoodFertility e si è concentrato su un altro distretto con un inquinamento significativo denominato “Valle del Fiume Sacco” (VSR) (Lazio, Italia). La VSR è un’area situata principalmente nella provincia di Frosinone e in parte nella zona sud di Roma. Nella VSR è presente un importante distretto industriale. Infatti, a causa dell’intensa attività industriale e soprattutto chimica degli impianti di Colleferro, in questa zona si è verificato un sovraccarico di inquinanti, che hanno contaminato il suolo e le falde acquifere per molti anni, creando problemi lungo tutta la filiera alimentare. Gli sversamenti di rifiuti industriali illegali hanno portato il fiume a diventare un sito contaminato; l’acqua contaminata è stata utilizzata per scopi irrigui, con conseguenze negative sia sugli animali che sulla popolazione che vive nella zona e, nonostante alcune bonifiche, il sito è sotto sorveglianza. Gli studi del suolo nell’area industriale di questa zona hanno rivelato l’accumulo cumulativo di diverse sostanze tossiche e pesticidi organici, soprattutto attraverso l’acqua e il cibo e livelli molto elevati di cromo e diossine.
Inquinamento e riproduzione
Negli ultimi anni, sono state ampiamente dimostrate le prove che l’inquinamento ha un forte effetto sulla salute riproduttiva degli organismi viventi; infatti, sono stati dimostrati effetti importanti sugli spermatozoi che sono particolarmente sensibili ai cambiamenti ambientali.
È noto che vari inquinanti possono causare uno squilibrio delle specie reattive dell’ossigeno (ROS) e che gli eventi di stress ossidativo risultanti hanno il potenziale per indurre alterazioni nella morfologia, nel numero e nella motilità degli spermatozoi. Inoltre, questi processi possono causare danni ossidativi al DNA . Si è anche riferito che l’inquinamento ambientale altera la suscettibilità alle malattie in diverse popolazioni e la qualità dello sperma ha dimostrato di essere un potenziale predittore della sensibilità agli insulti virali nelle aree altamente inquinate. Un primo biomarcatore dell’esposizione ambientale, come la serina peptidasi 3 correlata alla callicreina, è stato recentemente identificato anche nelle giovani donne. Inoltre, l’impronta digitale della parte volatile dei biofluidi umani mediante tecniche di analisi chimica e sistemi di sensori di gas sta attirando l’interesse per il biomonitoraggio umano come nuovo approccio per esplorare l’ambiente chimico interno dovuto a molteplici fattori di stress da esposizione – esposomi e scoprire potenziali biomarcatori VOC utili nella valutazione dell’impatto sulla salute dell’inquinamento.
Negli ultimi anni sono state condotte molte ricerche perché si ritiene che il problema dell’infertilità dovuto all’inquinamento ambientale sia sempre più comune. Recentemente è stato anche dimostrato che la riduzione della fertilità maschile e dello sviluppo gonadico, così come i tumori dell’apparato riproduttivo dovuti all’esposizione a inquinanti organici e inorganici, possono essere contrastati dai flavonoidi.
Gli spermatozoi sono altamente reattivi agli effetti pro-ossidanti degli inquinanti ambientali essenzialmente per due motivi: a causa del ridotto volume dello spazio citoplasmatico, con una minore difesa antiossidante e perché i lipidi della membrana dello sperma, particolarmente ricchi di acidi grassi polinsaturi, sono il bersaglio delle specie reattive dell’ossigeno (ROS). Ecco perché gli spermatozoi sono stati riconosciuti come un biomarcatore “ideale” dell’inquinamento ambientale e come sentinelle precoci della salute umana. Negli spermatozoi umani, ci sono due tipi di Caratterizzazione delle proteine basiche nucleari dello sperma umano (SNBP)
per impacchettare il genoma nel nucleo altamente condensato dello sperma: protamine (P1 e P2) e istoni. Il rapporto canonico tra protamine e istoni è di circa l’85%:15% e sembra essenziale mantenere questo rapporto tra questi due tipi di proteine per la fertilità maschile .
In un lavoro molto recente, è stato dimostrato che diversi composti organici volatili (COV) sono presenti ad alti livelli nello sperma di giovani uomini che vivono nella Valle del Sacco.
I COV sono una categoria eterogenea di sostanze che include sostanze chimiche organiche che hanno un’elevata pressione di vapore a temperatura ambiente. Presi insieme, mostrano un’elevata volatilità ma mostrano comportamenti fisici e chimici estremamente diversi. I COV vengono anche emessi da solidi o liquidi, quindi l’esposizione ai COV nell’aria è inevitabile. La maggior parte dei COV non è acutamente tossica ma può avere effetti negativi sulla salute a breve e lungo termine. Nello specifico, nell’area della VSR, considerando l’esposizione chimica pervasiva della popolazione causata dall’inquinamento ambientale, l’esposizione ai COV tramite molteplici fonti di esposizione (principalmente aria, acqua e cibo) si è verificata con effetti cumulativi nascosti e pericolosi sulla salute.
Scopo del lavoro
Pertanto, nel presente lavoro, abbiamo indagato se questi inquinanti potessero produrre alterazioni nei parametri dello spermiogramma e nelle proprietà SNBP dei giovani uomini nel VSR. A questo scopo, abbiamo eseguito analisi molecolari per valutare il rapporto protamina/istone e il legame al DNA di queste proteine. Infine, abbiamo analizzato la morfologia degli spermatozoi dei giovani uomini nel VSR e abbiamo cercato di trovare una possibile correlazione tra cambiamenti morfologici, molecolari e altri cambiamenti seminali e la presenza di VOC specifici.
I campioni di sperma sono stati sottoposti a test di routine per valutare la qualità dello sperma (volume dello sperma, concentrazione dello sperma, motilità e morfologia)
Analisi qualitativa e quantitativa dei COV
L’analisi dei VOC nei campioni di sperma di giovani maschi della Valle del Sacco ha evidenziato un’altissima variabilità interindividuale. il VOC più rilevato è stato il 3-metil-butanale, seguito da acetone e fluoren-9-olo,3,6-dimetossi-9-2-feniletinil-. Diversi VOC erano presenti solo nel 15% dei campioni.
Dallo Spermiogramma, analisi effettuata sul liquido seminale nei campioni “Valle del Sacco”, secondo le linee guida dell’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) (Organizzazione Mondiale della Sanità, 2010),  la valutazione della morfologia degli spermatozoi ha evidenziato le anomalie significative osservate negli spermatozoi del gruppo VSR. In particolare, mentre i campioni di controllo mostravano un acrosoma chiaro e un nucleo scuro senza alterazioni morfologiche, gli spermatozoi del gruppo VSR mostravano una varietà di diverse alterazioni morfologiche. Tra queste, code e teste anomale; nuclei anomali o assenza di nuclei, spermatozoi con doppia testa o doppia coda e detriti citoplasmatici; assenza di acrosoma e presenza di tre code. Circa il 90% dei campioni VSR presentava vari cambiamenti morfologici, quantificati dall’indice di deformità degli spermatozoi (SDI), come un carico maggiore sulla testa (circa il 40%) con acrosomi alterati, teste a spillo e teste piriformi (circa il 20%) e nel tratto intermedio e la presenza di angolazioni in circa il 10% sulla coda, valutate al microscopio dall’operatore e rivalutate tramite osservazione fotografica. Questa analisi ha infine sottolineato le significative alterazioni nella morfologia degli spermatozoi negli individui del gruppo VSR.

 

Figura. Colorazione Diff-quick degli spermatozoi del gruppo VSR. ( a ): gruppo di controllo; ( b – i ): gruppo VSR.

 

 

 

 

 

 

 

 

Lo sperma umano è un ottimo bio-accumulatore di composti organici volatili -VOC, e in un recentissimo lavoro del nostro gruppo di ricerca, per la prima volta, è stata valutata la composizione in VOC dello sperma di giovani uomini residenti nell’area della Valle del Sacco . Quel lavoro ha confrontato inquinanti presenti in varie matrici in diverse aree ad alto impatto ambientale e ha mostrato che diversi VOC erano particolarmente presenti a livelli elevati nello sperma di giovani uomini residenti nell’area VSR. In particolare, otto composti presentavano una concentrazione più elevata nei campioni di sperma umano di soggetti residenti nella VSR rispetto a un’altra area inquinata d’Italia (la Terra dei Fuochi in Campania).
In sintesi nei giovani uomini che vivono nella Valle del Sacco-VSR, abbiamo riscontrato alterazioni nei parametri seminali classici, come un numero ridotto di spermatozoi e una motilità totale inferiore, rispetto ai giovani uomini che vivono in aree a basso impatto ambientale. Inoltre, mediante approcci molecolari, abbiamo evidenziato cambiamenti nello stato e nelle proprietà delle SNBP dei giovani uomini che vivono nell’area VSR. In particolare, abbiamo riscontrato un rapporto protamina/istone alterato nella maggior parte degli individui. Infatti, solo il 16% degli individui VSR mostrava un rapporto Rapporto canonico protamine/istoni normale, mentre il 52% mostrava solo l’espressione di Solo istoni e altre proteine basiche e il 32% mostrava un Rapporto Protamine/Istoni non canonico. Il corretto rapporto protamina/istone è un prerequisito per la capacità di fecondazione degli spermatozoi . Il rapporto canonico protamine/istone è cruciale per la formazione di una corretta struttura della cromatina spermatica, che è il prerequisito per il successo della fecondazione. la presenza di protamine e istoni in rapporti alterati possa determinare non solo un legame instabile al DNA ma anche una ridotta protezione del DNA da agenti esterni, come vari inquinanti.
Il risultato più sorprendente erano i gravi cambiamenti morfologici osservati negli spermatozoi del gruppo VSR, dato che più del 90% dei casi, sono state osservate gravi alterazioni morfologiche che non erano state trovate né nel gruppo di controllo né in quelli della Terra dei Fuochi.

È noto che molte sostanze possono attraversare la barriera emato-testicolare ed essere rilasciate nello sperma. Ciò può portare ad alterazioni nella qualità e quantità dello sperma [La presenza di questi COV potrebbe essere correlata alla scarsa qualità dello sperma riscontrata nella coorte VSR
I derivati estremamente tossici del benzene che probabilmente derivano dall’inquinamento atmosferico sono particolarmente presenti nel liquido seminale, in letteratura, è riportato che l’esposizione al benzene non è solo associata all’insorgenza di aneuploidia per i cromosomi X, Y e 21 nello sperma, ma anche ad aberrazioni strutturali del cromosoma 1 negli spermatozoi
Inoltre, il metabolita del benzene 1,2,4-benzentriolo è in grado di modificare la metilazione del DNA e l’acetilazione degli istoni di geni specifici e che queste modifiche degli istoni sono cruciali per la transizione dagli istoni alle protamine durante la spermatogenesi. Negli spermatozoi il benzene può avere come bersaglio le protamine.
Anche le aldeidi sono composti organici, considerati buoni marcatori per valutare i livelli di stress ossidativo. È noto che questo composto può ridurre significativamente la motilità degli spermatozoi . Pertanto, l’alta percentuale di spermatozoi immobili di questi giovani uomini (circa il 70%) ne conferma la pericolosità.
Un altro composto che sembra influenzare significativamente lo sperma umano è l’n-esano, un composto estremamente dannoso per l’ambiente e molto tossico per l’apparato riproduttivo testicolare.

I nostri risultati rappresentano dati preliminari che necessitano di ulteriori indagini, ma indicano comunque una grande preoccupazione per i residenti di quell’area. Ciò è molto rilevante considerando che i partecipanti volontari dello studio erano uomini molto giovani (18-20 anni) che dovrebbero essere in piena capacità riproduttiva. Queste caratteristiche sono anche cruciali per comprendere perché una coppia è sterile o infertile

Le conseguenze sul futuro potenziale riproduttivo dei giovani residenti nell’area VSR non possono quindi essere sottovalutate, soprattutto considerando che lo sperma rappresenta un ottimo indicatore della salute ambientale e generale

Sintesi da Alterazioni molecolari e gravi anomalie negli spermatozoi dei giovani uomini residenti nella “Valle del fiume Sacco” (Lazio, Italia): uno studio preliminare
di Pasquale Perrone ,Gennaro Lettieri, Carmela Marinaro, Valentina Longo, Simonetta Capone, Angiola Forleo, Sebastiana Pappalardo, Luigi Montano, Marina Piscopo

Questi autori hanno contribuito ugualmente a questo lavoro.
Int. J. Environ. Res. Salute pubblica 2022, 19 (17). Numero speciale Effetti degli inquinanti ambientali sulla salute riproduttiva umana