¿Qué evidencias vinculan la contaminación del aire con efectos adversos para el cerebro?

Las investigaciones realizadas por Lilian Calderón Garcidueñas en la Ciudad de México hace más de 15 años proporcionaron la primera evidencia experimental que vincula la contaminación del aire con efectos adversos para la salud cerebral. Sus estudios iniciales se realizaron en cerebros de perros callejeros. Estos estudios revelaron que los perros que vivían en el aire contaminado de la Ciudad de México exhibían significativamente más degeneración neurológica que los perros de la misma edad que vivían en entornos con aire más limpio fuera de la Ciudad de México.

Sus estudios posteriores en niños y adultos jóvenes que vivían en áreas con alta contaminación del aire identificaron cambios en sus cerebros que se parecían a la patología cerebral observada en pacientes con enfermedad de Alzheimer. Siguiendo el trabajo pionero de Calderón Garcidueñas, numerosos estudios epidemiológicos de diversas poblaciones en múltiples ubicaciones geográficas han vinculado la contaminación del aire, y en particular la contaminación del aire relacionada con el tráfico y/o los niveles de PM2.5, con un mayor riesgo de enfermedad neurodegenerativa.

En 2019, seis metanálisis/revisiones sistemáticas independientes de la literatura epidemiológica concluyeron que los datos respaldan una fuerte asociación entre las PM2,5 ambientales y un amplio espectro de trastornos neurológicos, entre ellos la demencia relacionada con la edad, la enfermedad de Parkinson, la enfermedad de Alzheimer, los accidentes cerebrovasculares, la depresión y los trastornos de ansiedad. Ahora también sabemos que el cerebro en desarrollo de los niños es susceptible a los efectos adversos de la contaminación del aire. Los estudios epidemiológicos han identificado la contaminación del aire relacionada con el tráfico, las PM2,5 ambientales y los HAP como factores de riesgo ambientales para los trastornos del desarrollo neurológico, en particular el trastorno del espectro autista (TEA) y el trastorno por déficit de atención con hiperactividad (TDAH).

Disminución de la productividad o "niebla mental"

Una constatación más reciente es que la contaminación del aire no solo aumenta el riesgo de enfermedades neurológicas, sino que también ejerce efectos más sutiles en el cerebro sano: una disminución de la productividad denominada "niebla mental". En múltiples sectores ocupacionales, desde los trabajadores agrícolas en los huertos frutales de California hasta los trabajadores en interiores en el sector manufacturero y los trabajadores de oficina en el sector de servicios, la exposición a corto plazo a altos niveles de contaminación del aire exterior se ha asociado consistentemente con una disminución de la producción de los trabajadores.

Por ejemplo, un análisis de 10 años de los rendimientos del S&P 500 como indicador del desempeño laboral de los corredores de bolsa que trabajan en la Bolsa de Valores de Nueva York encontró que los niveles ambientales más altos de PM2,5 en la ciudad de Nueva York se asociaron con menores rendimientos de las operaciones bursátiles. Una asociación similar se informó entre más de 100.000 inversores de una empresa de corretaje alemana. Los estudios en los que se manipularon experimentalmente los niveles de contaminantes confirman que la contaminación del aire influye en el desempeño humano. 

Por ejemplo, los pilotos de aerolíneas se desempeñaron mejor durante maniobras avanzadas en condiciones de niveles de CO2 más bajos que más altos. De manera similar, los trabajadores de oficina obtuvieron resultados significativamente mejores en las pruebas cognitivas cuando realizaron las pruebas en habitaciones con niveles más bajos de VOC y CO2. Los puntajes de las pruebas en las salas con bajo contenido de VOC y CO2 mejoraron aún más cuando se aumentaron las tasas de ventilación. Los autores de este estudio estimaron que aumentar los estándares de ventilación de los edificios de los actuales 20 pies cúbicos por minuto por persona (cfm/p) recomendados a 40 cfm/p costaría $40 por persona en gastos de energía, pero las empresas ganarían $6,500 por empleado en productividad.

Niebla mental en los niños

Estudios recientes en Barcelona, ​​España, sugieren que la contaminación del aire también causa confusión mental en los niños. Los aumentos en los niveles ambientales diarios de contaminación del aire relacionada con el tráfico se asociaron con una reducción de la capacidad de atención entre los niños de la escuela primaria. En Israel, los niveles diarios más altos de PM2,5 se asociaron con un rendimiento reducido de los estudiantes de secundaria en los exámenes de admisión a la universidad. Los estudios de seguimiento de sujetos de entre 28 y 30 años de edad indicaron que los niveles más altos de PM2,5 el día del examen se asociaban con menos años de educación postsecundaria y menores ingresos mensuales.

Los efectos de la contaminación del aire sobre la función cognitiva en personas por lo demás sanas parecen empeorar a medida que aumenta la duración de la exposición. Un estudio reciente realizado en China que examinó una muestra representativa a nivel nacional de más de 25.000 niños y adultos en 162 condados encontró que el impacto negativo de un índice de contaminación del aire más alto en la función cognitiva era significativamente mayor para la exposición a largo plazo (hasta 3 años) en comparación con a exposición a corto plazo (1-7 días). De manera similar, una mayor exposición a PM2.5 en el sur de California se asocia con una inteligencia reducida en adolescentes y adultos jóvenes, observándose asociaciones más fuertes en hombres e individuos de nivel socioeconómico más bajo.

Si bien los estudios epidemiológicos pueden identificar asociaciones entre la contaminación del aire y una función o enfermedad cerebral alterada, no pueden establecer una relación causa-efecto. A menudo se requiere la corroboración de hallazgos humanos en modelos experimentales para abordar la cuestión de la causalidad. Varios estudios experimentales con animales han demostrado que la exposición controlada a partículas ambientales concentradas o a los gases de escape de diésel provoca cambios patológicos y de comportamiento en el cerebro que son relevantes para los trastornos del neurodesarrollo humano y las enfermedades neurodegenerativas. Los estudios que utilizan células cultivadas derivadas de tejidos cerebrales humanos también respaldan una relación causal entre las PM2,5 y los resultados asociados con las enfermedades neurológicas.

¿Cómo altera la contaminación del aire el desarrollo y el funcionamiento del cerebro?

Los estudios de imágenes por resonancia magnética (MRI) en humanos revelan que una mayor exposición a PM2.5 se asocia con cambios en la estructura cerebral en los adultos mayores, incluida la atrofia cerebral. Estos cambios ocurren antes de la aparición de la demencia. Se producen cambios similares en la estructura cerebral en animales de laboratorio expuestos a la contaminación del aire.

Los estudios experimentales en animales muestran además que la contaminación del aire desencadena inflamación y estrés oxidativo en el cerebro. Tanto la inflamación como el estrés oxidativo están implicados en la patogénesis de los trastornos del neurodesarrollo, la ansiedad y la depresión y las enfermedades neurodegenerativas. 5 PM Inhalación PM0.1 PM2.5 PM10 Corriente sanguínea.

Pero qué llega al cerebro después de la inhalación de contaminantes del aire y cómo llega allí sigue siendo una cuestión pendiente. Los estudios experimentales sugieren dos posibles modelos de translocación de PM al cerebro (Figura 1).

En el primer modelo, las terminaciones nerviosas olfatorias de la cavidad nasal captan o engullen PM ultrafinas (PM0.1), que luego se transporta dentro de la fibra nerviosa hasta el bulbo olfatorio en el cerebro. En el segundo modelo, las PM2,5 inhaladas llegan a las vías respiratorias inferiores, donde pueden transferirse al torrente sanguíneo y luego distribuirse a todos los sistemas orgánicos del cuerpo, incluido el cerebro. Una vez en el cerebro, las partículas pueden causar daño cerebral a través de múltiples mecanismos probablemente superpuestos:

(a) La estructura física de la partícula puede activar las células inmunes residentes para desencadenar neuroinflamación y/o estrés oxidativo.

(b) La liberación de sustancias químicas neurotóxicas de la partícula puede afectar directamente a las células del cerebro, como las neuronas y la microglía.

Sin embargo, otros investigadores creen que existen mecanismos indirectos que median los efectos de los contaminantes del aire en la salud del cerebro. Por ejemplo, está ampliamente aceptado que la contaminación del aire causa enfermedades cardiovasculares, y las enfermedades cardiovasculares son un factor de riesgo importante para la enfermedad de Alzheimer y la demencia relacionada con la edad.

Por tanto, se ha propuesto que los efectos de la contaminación del aire sobre la salud del cerebro son consecuencia de las enfermedades cardiovasculares inducidas por la contaminación del aire. Si bien esto puede contribuir a los efectos neurodegenerativos de la contaminación del aire, parece poco probable que sea un mecanismo importante por el cual la contaminación del aire causa confusión mental en adultos sanos o aumenta el riesgo de trastornos del desarrollo neurológico en niños. Un segundo mecanismo indirecto implica el "eje pulmón-cerebro".

En este modelo, los mediadores inflamatorios, como las citocinas proinflamatorias, generados en el pulmón en respuesta a la PM inhalada, se transportan al cerebro a través del sistema circulatorio para causar disfunción y enfermedad (Figura 2).

Importancia y el camino a seguir 

Los estudios epidemiológicos han identificado una serie de enfermedades neurológicas asociadas con la contaminación del aire. Pero aún quedan preguntas importantes: ¿Es la asociación causal o hay otro factor interviniente, como el ruido relacionado con el tráfico o el nivel socioeconómico, que subyace a la asociación observada? ¿Cuáles son los mecanismos celulares y moleculares que vinculan la exposición a la contaminación del aire con la función cerebral alterada y las enfermedades? ¿Qué factores influyen en la susceptibilidad individual a los efectos neurotóxicos de la contaminación del aire?

Por ejemplo, APOe4 es un factor de riesgo genético conocido para la enfermedad de Alzheimer, y entre las mujeres expuestas a niveles elevados de PM2,5, aquellas que portan el alelo APOe4 tienen más probabilidades de desarrollar la enfermedad de Alzheimer que aquellas que no lo tienen. ¿Qué otros factores de riesgo genéticos o factores de estilo de vida modifican el riesgo? ¿Qué componentes de la contaminación del aire son responsables de los efectos adversos sobre la salud del cerebro? ¿Gases? ¿Partículas? ¿Cuales? Lo más importante es ¿cuáles son las fuentes de contaminación atmosférica neurotóxica, ya que es la fuente que podemos controlar?

Si bien aún no hay consenso sobre todas estas preguntas, muchos investigadores se centran en el PM como el culpable. De las tres categorías de componentes de PM:

• inclusiones sólidas, como hollín o polvo de la carretera
• compuestos solubles en agua como los electrolitos sulfato o nitrato de amonio
• compuestos liposolubles como los hidrocarburos aromáticos policíclicos.

No es probable que los electrolitos causen impactos adversos para la salud porque el cuerpo humano está lleno de electrolitos. Es posible que las inclusiones sólidas no sean dañinas por sí mismas, pero el sistema inmunológico puede reaccionar a su presencia provocando inflamación y resultados de salud concomitantes. Los compuestos liposolubles pueden interactuar fácilmente con los sistemas biológicos y modificarlos.

Como lo demuestra un trabajo reciente que compara la toxicidad pulmonar de las partículas recolectadas en el norte de China con las recolectadas en Sacramento, California, responder estas preguntas probablemente no será sencillo. Si bien la concentración de partículas en el aire es frecuentemente de 3 a 5 veces mayor en el norte de China que en Sacramento en términos de volumen, las partículas recolectadas en Sacramento fueron más tóxicas que las partículas recolectadas en China en términos de masa de partículas. Entonces, ¿por qué las partículas de Sacramento son más tóxicas en términos de masa de partículas? Aún no se conoce la respuesta, pero una hipótesis es que los electrolitos contenidos en las partículas no suponen un peligro directo para la salud, pero diluyen la concentración de los componentes tóxicos.

Las emisiones de NOx y azufre forman ácidos nítrico y sulfúrico en la atmósfera que luego se combinan con amoníaco para condensarse en partículas como los electrolitos nitrato de amonio y sulfato de amonio. Las concentraciones de estos electrolitos solían ser altas en los EE. UU., como lo son ahora en China, pero los controles de emisiones han reducido estas concentraciones en los EE. UU., lo que paradójicamente puede haber aumentado la concentración de componentes tóxicos en las partículas.

Para responder a estas preguntas se necesitarán modelos experimentales. Sin embargo, una advertencia importante de la mayoría de los estudios experimentales publicados hasta ahora es que han utilizado concentraciones de PM2.5 o de escape de diésel que son muchas veces superiores a la mayoría de las exposiciones humanas y/o han empleado paradigmas de exposición que no capturan la complejidad o la dinámica espaciotemporal de las exposiciones a la contaminación del aire en el mundo real.

Dado que la dosis, la composición y el momento de la exposición a la contaminación del aire pueden influir en los resultados biológicos, traducir la relevancia de gran parte de la literatura animal publicada a la condición humana es un desafío. El camino a seguir implica desarrollar modelos de exposición que repliquen más fielmente las exposiciones humanas a la contaminación del aire.

Se necesitarán recursos de investigación importantes para abordar cuestiones sobre cómo y qué contaminantes del aire perjudican la salud cerebral. La disfunción y la enfermedad cerebral imponen costes tremendos al individuo afectado, a sus familias y a la sociedad. En lugar de curar las enfermedades cerebrales, el curso más conveniente y potencialmente viable para frenar el aumento previsto de una serie de enfermedades cerebrales, como la enfermedad de Alzheimer, es identificar y limitar los principales factores de riesgo de la enfermedad. La contaminación del aire ambiental representa un factor de riesgo potencial que podría modificarse mediante políticas públicas (Figura 3: ciclo de vida de la contaminación del aire).