Convegno nazionale «Arsenico nelle catene alimentari» – Istituto Superiore di Sanità, 4-5 giugno 2015
ARSENICO:
un interferente endocrino ?
Stefano Lorenzetti
Istituto Superiore di Sanità (ISS)
Department of Food Safety and Veterinary Public Health
Unit of Food and Veterinary Toxicology
ARSENICO: un interferente endocrino ?
OUTLINE
 Introduzione:
Esposizione ad arsenico e tossicità/cancerogenesi delle forme inorganiche e organiche
Effetti non cancerogeni dell’arsenico
 Interferenza endocrina
 Evidenze sperimentali di interferenza endocrina dell’arsenico e dei suoi metaboliti
 Conclusioni
ARSENICO: un interferente endocrino ?
ARSENICO: ESPOSIZIONE e TOSSICITA’
 Esposizione ad arsenico (popolazione generale) principalmente per via orale tramite il consumo di acqua potabile (il
cui limite regolatorio per l’As nell’UE è di 10 ppb o 0.13 mM) e alimenti con un tasso di assorbimento nel tratto
gastrointestinale elevato (tipicamente >70%).
 Forme inorganiche dell'arsenico, [arsenito (iAs+3) e arsenato (iAs+5)], principali responsabili della sua tossicità che
sono state classificate come cancerogene (IARC, gruppo 1).
 Forme organiche dell’arsenico inorganico (iAs), [acido monometilarsonico (MMA), acido dimetilarsinico
(DMA)], sono state classificate come potenzialmente cancerogene (IARC, gruppo 2B).
 La IARC ha confermato l'associazione tra esposizione all' iAs e tumori di pelle, polmoni e vescica, mentre
sarebbero limitate ma in aumento le evidenze relative ad altri tumori (es. fegato, reni e prostata).
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ARSENICO: EFFETTI NON CANCEROGENI
 L’arsenico è in grado di attraversare la placenta e quindi può influenzare lo sviluppo fetale
Sono stati riportati:
 anomalie neuro-comportamentali durante la pubertà e cambiamenti neuro-comportamentali negli adulti (in
particolare, deficit nel quoziente di intelligenza verbale e nella memoria a lungo termine) in seguito ad esposizione
infantile;
 effetti diabetogeni;
 effetti sul sistema riproduttivo e, in particolare, le complicazioni in gravidanza (mortalità fetale, nascite pretermine e/o
basso peso alla nascita, disfunzioni della placenta) in seguito ad esposizione in utero.
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ARSENICO: EFFETTI NON CANCEROGENI – DIABETE MELLITO (1)
 38 relevant studies, of which the 32 on the ingestion
route showed a significant association between
arsenic exposure and DM (RR = 1.57; 95% CI 1.27–
1.93).
 Focusing on the 24 studies in which the diagnosis of
DM was confirmed using laboratory tests or
medical records, we found that the summary RR was
1.71 (95% CI 1.32–2.23), very close to the overall
estimates.
 We concluded that ingested arsenic is associated with
the development of DM, but the heterogeneity among
the studies may affect the results.
Sung TC et al., Biomed Res Int. 2015; 2015:368087.
Association between Arsenic Exposure and Diabetes:
A Meta-Analysis.
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ARSENICO: EFFETTI NON CANCEROGENI – DIABETE MELLITO (2)
Prospective associations of low-moderate arsenic exposure and arsenic metabolism with diabetes incidence
in the Strong Heart Study
• A total of 1,694 diabetes-free participants aged 45-75
years were recruited in 1989-1991 and followed
through 1998-1999.
• The proportions of urine inorganic arsenic (iAs),
monomethylarsonate (MMA), and dimethylarsinate
(DMA) over their sum (expressed as iAs%, MMA%,
and DMA%) as the biomarkers of arsenic metabolism.
• Diabetes was defined as fasting glucose ≥ 126 mg/dL,
2-h glucose ≥ 200 mg/dL, self-reported diabetes
history, or self-reported use of antidiabetic medications.
Kuo CC et al., Diabetes Care. 2015; 38(4):620-7.
Arsenic exposure, arsenic metabolism, and incident
diabetes in the strong heart study.
 Over 11,263.2 person-years of follow-up, 396 participants developed
diabetes.
 The leave-one-out approach to model the dynamics of arsenic
metabolism was used.
 Lower MMA% was associated with higher diabetes
incidence. The hazard ratios (95% CI) of diabetes incidence for a
5% increase in MMA% were 0.77 (0.63-0.93) and 0.82 (0.73-0.92)
when iAs% and DMA%, respectively, were left out of the model.
 DMA% was associated with higher diabetes
incidence only when MMA% decreased (left out of the
model) but not when iAs% decreased.
 iAs% was also associated with higher diabetes
incidence when MMA% decreased.
 The association between MMA% and diabetes incidence was similar
by age, sex, study site, obesity, and urine iAs concentrations.
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ARSENICO: EFFETTI NON CANCEROGENI – DIABETE MELLITO (3)
iAs as a risk factor for TYPE 2 DIABETES (EFSA, 2009)
“Whilst aggregate studies in highly exposed populations suggest an excess risk, there remains uncertainty whether
arsenic contributes to the occurrence of type 2 diabetes, and there is inadequate data from which to inform dose
response at lower levels of exposure”
 is there a biological plausibility ?
 are there biological mechanisms that can link iAs (or its metabolites) and type 2 diabetes ?
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ARSENICO: EFFETTI NON CANCEROGENI – DIABETE MELLITO (4)
Plausible mechanisms are several in different target organs:
 PANCREATIC ISLETS
 MMA and DMA are potent inhibitors of glucose-stimulated (not basal) insulin secretion
 rats exposed in utero to adulthood (3 mg/l iAs): no changes in plasma insulin, but impaired glucose tolerance, betacell damage
 humans: iAs exposure may interact with calpain-10 polymorphisms (protein involved in the secretion and action
of insulin) to reduce beta-cell function (Díaz-Villaseñor et al., 2013)
 WHITE ADIPOSE TISSUE
 MMA and DMA inhibit insulin-activated signal transduction pathway and terminal adipocyte differentiation,
resulting in insulin resistance and reduced lipid storage
 LIVER
 in vitro MMA (not iAs or DMA) disrupts pathways related to steroid hormone (glucocorticoid and other) binding
 adult mice exposed in utero to iAs (49 mg/l): gene expression of SREB proteins (cholesterol and fatty acid
biosynthesis)
 humans: iAs may interact with NOTCH polymorphism (involved in liver development) to increase diabetes risk
(Pan et al., 2013)
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DEFINIZIONE:
cos’è un interferente endocrino ?
“Endocrine Active Substances / EASs”
“a substance having the inherent ability to interact or interfere with one or more
components of the endocrine system resulting in a biological effect, but need not
necessarily cause adverse effects.”
EFSA Journal 2013; 11(3):3132
“Endocrine Disruptors / EDs”
“An endocrine disrupter is an exogenous substance or mixture that alters
function(s) of the endocrine system and consequently causes adverse health effects
in an intact organism, or its progeny, or (sub)populations.”
WHO/IPCS 2002
In other words, “Endocrine Disruptors are Endocrine Active Substances
causing adverse effects mediated by endocrine mechanisms”
Rovida, De Angelis, Lorenzetti. ALTEX 2013; 30(2):253
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MECCANISMO o MODO di AZIONE (MoA):
Come si identifica un interferente endocrino ?
Mediante studi in vitro che dimostrino:
 il legame di un interferente endocrino con i
mediatori dell’azione ormone-simile
(p.es. i recettori nucleari, «dual function proteins»,
che sono sia recettori di ormoni e di contaminati della
filiera agro-alimentare che fattori di trascrizione
modulati da ligandi endogeni ed esogeni)
 la modulazione dell’attività di uno o più (48
nell’uomo) recettori nucleari (p.es. ER, AR, TR)
Mediante studi in vivo che dimostrino:
 Un effetto funzionale su un tessuto / organo
OECD conceptual framework (2002)
level 2: in vitro assays providing mechanistic data
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ARSENICO: EFFETTI NON CANCEROGENI – DIABETE MELLITO (4)
Plausible mechanisms are several in different target organs:
 PANCREATIC ISLETS
 MMA and DMA are potent inhibitors of glucose-stimulated (not basal) insulin secretion
 rats exposed in utero to adulthood (3 mg/l iAs): no changes in plasma insulin, but impaired glucose tolerance, betacell damage
 humans: iAs exposure may interact with calpain-10 polymorphisms (protein involved in the secretion and action
of insulin) to reduce beta-cell function (Díaz-Villaseñor et al., 2013)
 WHITE ADIPOSE TISSUE
 MMA and DMA inhibit insulin-activated signal transduction pathway and terminal adipocyte differentiation,
resulting in insulin resistance and reduced lipid storage
 LIVER
 in vitro MMA (not iAs or DMA) disrupts pathways related to steroid hormone (glucocorticoid and other) binding
 adult mice exposed in utero to iAs (49 mg/l): gene expression of SREB proteins (cholesterol and fatty acid
biosynthesis)
 humans: iAs may interact with NOTCH polymorphism (involved in liver development) to increase diabetes risk
(Pan et al., 2013)
ARSENICO: un interferente endocrino ?
ARSENICO come INTERFERENTE ENDOCRINO: meccanismi - in vitro
L’azione dell’iAs (e recentemente sembrerebbe
anche l’MMA), infatti, è tipica di un
Interferente Endocrino e sarebbe mediata, a
concentrazioni rilevanti per l’ambiente, sia da
tutti e cinque i recettori nucleari steroidei [i.e.,
il recettore androgeno (AR), estrogeno (ER), del
progesterone (PR), dei glucocorticoidi (GR) e dei
mineralocorticoid (MR)] che dai recettori
nuicleari dell’acido retinoico (RAR) e degli
ormoni tiroidei (TR).
Davey JC et al., 2008 EHP 116:165-72.
Gosse JA et al., 2014. J Appl Toxicol. 34:498-505.
 Gli Interferenti Endocrini (o EDCs) agiscono come ormone
mimetici e come agonisti o antagonisti competitivi.
 Gli studi relativi ad As e SRs (recettori steroidei) indicano
che l’elemento non è un agonista dell’attivazione degli SR
e non agisce come antagonista competitivo o non
competitivo.
 L’As altera la capacità del complesso SRs-As di legarsi al
DNA nel processo di regolazione della trascrizione genica.
ARSENICO: un interferente endocrino ?
ARSENICO come INTERFERENTE ENDOCRINO:
Inibizione della trascrizione mediata dall’ormone tiroideo T3 in GH-3 cells
TRE-luc gene reporter assay
T3 (2nM)-mediated DIO1 gene expression
6 hrs
24 hrs
Davey JC et al., 2008 EHP 116:165-72.
ARSENICO: un interferente endocrino ?
ARSENICO come interferente endocrino:
Inibizione della trascrizione mediata dal glucocorticoid receptor (GR)
in rat hepatoma cells
GRE-luc gene reporter assay
Gosse JA et al., J Appl Toxicol. 2014; 34(5):498-505.
ARSENICO: un interferente endocrino ?
ARSENICO come interferente endocrino:
forme (in)organiche di As in rat hepatoma cell line (H4IIE-G2T/Luc)
Reverse phase chromatography - Spiked = black lines; unspiked = grey lines
As treatment
an intracellular concentration for each metabolite [arsenite triglutathione (ATG),
monomethylarsonic diglutathione (MADG) and dimethylarsonic glutathione (DMAG)]
and total As was calculated.
CTRL
Gosse JA et al., J Appl Toxicol. 2014; 34(5):498-505.
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Monomethylarsenite (MMA+3) and monomethylarsonic diglutathione (MADG)
come interferenti endocrini:
Inibizione della trascrizione mediata da glucocorticoid (GR) & progesterone (PR) receptors
GRE-luc gene reporter assay
Gosse JA et al., J Appl Toxicol. 2014; 34(5):498-505.
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CONCLUSIONI
 Gli studi in vitro sui recettori steroidei sembrano indicare che l’ iAS e/o i suoi metaboliti possano agire
come interferenti endocrini (o EDCs)
 In particolare, alcune forme organiche [Monomethylarsenite (MMA+3) e il monomethylarsonic
diglutathione (MADG) sembrerebbero essere le principali indiziate ad essere riconosciute come le
forme attive sui recettori steroidei.
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GRAZIE e… domande ?
Stefano Lorenzetti
[email protected]
Istituto Superiore di Sanità (ISS),
Dip.to Sanità Pubblica Veterinaria e Sicurezza
Alimentare,
Reparto di Tossicologia Alimentare e Veterinaria