Pelophylax lessonae embryos: a valid model for the study of muco-ciliary epithelia and for testing the effects of zerovalent iron, nickel and cobalt nanoparticles

La valutazione del potenziale rischio di xenobiotici emergenti, richiede l'uso di buoni modelli sperimentali per valutare gli effetti sia sulla salute che sugli ecosistemi. Gli effetti delle nanoparticelle metalliche ingegnerizzate (ENP) di ferro, nichel e cobalto sono stati testati sugli embrioni della comune rana verde Pelophylax lessonae, allo stadio di sviluppo 21 di Gosner, per validare questa specie come modello sperimentale per studi ecotossicologici. Attraverso indagini in microscopia ottica ed elettronica (SEM, TEM) è stato caratterizzato l'epitelio embrionale, in quanto prima interfaccia esposta agli inquinanti ambientali, e sono stati identificati cinque tipi di cellule: cellule basali, cellule ciliate, cellule caliciformi, piccole cellule secernenti (SSC) e ionociti. I trattamenti con ENP hanno mostrato un ritardo significativo nelle fasi di crescita e sviluppo embrionale e sono state osservate diverse malformazioni come massa ventrale accentuata, asse corporeo ricurvo, malformazione della testa e occhi sottosviluppati o assenti. A livello epidermico, è stato osservato un aumento del volume delle cellule ciliate, delle cellule caliciformi e delle SSC. Nelle cellule secernenti è stato osservato un aumento del numero di vescicole di esocitosi e inoltre sono state rilevate modificazione della fucosilazione e della solfatazione nelle mucine secrete, alterando il ruolo protettivo e la funzione delle ciglia nelle cellule ciliate. Nelle cellule basali è aumentato il numero di mitosi e sono stati osservati anche processi mitotici nelle cellule caliciformi specializzate. A livello ultrastrutturale, è stato osservato un aumento degli spazi intercellulari e le cellule ciliate presentavano ciglia attaccate e swelling mitocondriale.

The assessment of potential risk of emerging xenobiotics requires the use of good experimental models, to evaluate the effects on both health and ecosystems. The effects of engineered metal nanoparticles (ENPs) of iron, nickel and cobalt were tested on the embryos of the frog Pelophylax lessonae at Gosner developmental stage 21, to validate this species as an experimental model for ecotoxicological studies. Through microscopic investigations (light, SEM, TEM) the embryonic epithelium were characterized, since they are the first interface exposed to environmental pollutants, and five cell types have been identified: basal cells, ciliated cells, goblet cells, small secretory cells (SSCs) and ionocytes. Treatments with ENPs showed significant retard in growth and developmental stages and several malformations were observed such as abnormally large ventral mass, bent body axe, head malformation and underdeveloped or absent eyes. At epidermal level, an increase in the volume of ciliated cells, goblet cells and SSCs was observed. The number of exocytosis vesicles in mucus-secreting cells was increased. Besides, modifications of fucosylation and sulfation were detected in epidermal mucins, altering the protective role and function of cilia in the ciliated cells. The number of mitoses in the basal cells was increased, and mitotic processes were also observed in specialized goblet cells. At the ultrastructural level, enlarged intercellular spaces were observed and ciliated cells presented sticked cilia and mitochondrial swelling.