A Doença Pulmonar Obstrutiva Crônica (DPOC) é caracterizada por limitação de troca gasosa e considerada uma doença progressiva, não reversível e associada a uma resposta inflamatória anormal dos pulmões a partículas e gases nocivos, e com implicações extrapulmonares. A fumaça de cigarro (FC) é a principal causa, uma vez que 80% dos casos de DPOC estão associados ao tabagismo. A poluição atmosférica também é considerada um fator de risco para o desenvolvimento, aceleração, exacerbação e mortalidade na DPOC. Além disso, o material particulado resultante da queima do diesel (do inglês,Diesel Exhaust Particle - DEP) é a principal fonte de poluição atmosférica relacionado ao tráfego de veículos. Muitos estudos têm demonstrado efeitos nocivos da fumaça de cigarro e da poluição atmosférica para saúde humana, no entanto, poucos se referem à associação desses dois fatores. Considerando que um fumante em área urbana submete-se cotidianamente aos dois fatores exógenos simultaneamente, avaliamos os efeitos da associação da FC e do DEP proveniente de motores movidos a diesel na cidade de São Paulo, no desenvolvimento do enfisema pulmonar, durante 1, 3 e 6 meses de exposição. Os camundongos foram divididos em quinze grupos: controle (C); veículo (V) (NaCl 0,9%); DEP (30?g DEP em 10?L NaCl 0,9%/dia, 5 dias/semana); FC (expostos à FC 30 min/dia, 5 dias/semana); e FC+DEP. Avaliamos a mecânica respiratória; células inflamatórias no lavado broncoalveolar (LBA); intercepto linear médio (Lm) e morfometria e remodelamento: edema peribroncovascular, MMP-12, Mac-2, elastina e colágeno III. Houve um aumento significativo na resistência das vias aéreas em FC e FC+DEP, comparado ao V e DEP em 6 meses. Observamos aumento do Lm após 6 meses nos grupos FC, DEP e FC+DEP, comparado ao V. O número total de células no LBA e os macrófagos aumentaram após 3 meses de exposição à FC, e após 6 meses à FC ou DEP. No entanto, houve diminuição de células totais em FC+DEP, após 6 meses de exposição, comparado ao V. As células polimorfonucleares nas vias aéreas aumentaram após 3 e 6 meses, principalmente em DEP e FC+DEP. O edema peribroncovascular aumentou no grupo FC+DEP após 1 mês de exposição, em FC e DEP após 3 meses e em FC e FC+DEP após 6 meses. As proporções de elastina aumentaram nos grupos FC, DEP e FC+DEP; de colágeno III somente em FC+DEP; e a densidade de células MMP-12 positivas em FC, DEP e FC+DEP, e Mac-2 em DEP, todos após 6 meses de exposição. Portanto, a instalação da DPOC, com alargamento dos espaços alveolares, ocorreu após 6 meses de exposição independentemente das partículas exógenas inaladas. No entanto, não detectamos piora do enfisema quando os animais receberam inalação de ambos: FC+DEP. A análise do perfil celular mostrou aumento nas células inflamatórias após a exposição de FC ou DEP, por diferentes vias, enquanto a interação de FC+DEP mostrou um efeito aditivo, atenuando o processo inflamatório após os 6 meses de exposição, apesar de sua intensa atuação no remodelamento tecidual. Nosso trabalho corrobora para esclarecimentos dos efeitos aditivos da interação entre FC e DEP, mimetizando um fumante exposto à poluição atmosférica urbana. O esclarecimento sobre essa complexa interação ainda se faz necessário e é um vasto campo de pesquisa em doenças pulmonares / Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is characterized by limitation of gas exchange and is considered a non-reversible, progressive disease and associated with an abnormal inflammatory response of the lungs to particles and harmful gases, with extrapulmonary symptoms. Cigarette smoke (CS) is the major cause, since 80% of COPD cases are associated with smoke. Also, the air pollution is considered a risk factor in the development, acceleration, exacerbation and mortality of COPD. Moreover, diesel exhaust particles (DEP) are a major source of traffic-related air pollution. Many studies have demonstrated the damaging effects of CS and air pollution on human health; however, few have related the association between the two factors. Considering a smoker in an urban area undergoes daily to this two exogenous agents simultaneously, we evaluated the effects of CS associated to DEP, from diesel-powered engines in the São Paulo city, on emphysema development at 1, 3 and 6 months. Mice were divided into fifteen groups: control (C); vehicle (V) (NaCl 0.9%); DEP (30?g DEP in 10ul NaCl 0.9%/day, 5 days/wk); CS (exposed to CS, 30 minutes/day, 5 days/wk); and CS+DEP. We evaluated respiratory mechanics; inflammatory cells in bronchoalveolar lavage fluid (BALF); mean linear intercept (Lm) and morphometry and remodeling: peribronchovascular edema, MMP-12, Mac-2, elastin and collagen-III. There was a significant increase in airway resistance in CS and CS+DEP compared to group V and DEP at 6 mo. We observed an increase in Lm after 6 mo in the CS, DEP and CS+DEP groups compared to group V. The total number of cells in BALF and macrophage showed an increase at 3 mo of CS exposure and at 6 mo of CS or DEP exposure. However, there was a decrease of the number of total cells at 6 mo in CS+DEP compared to V. Polimorphonuclear cells in airways were increased after 3 and 6 months mainly in the DEP and CS+DEP groups. Peribronchovascular edema was increased in the CS+DEP group after 1 mo, CS and DEP groups after 3 mo and CS and CS+DEP groups after 6 mo. Elastin, increased for the CS, DEP and CS+DEP groups and collagen III only for the CS+DEP group; and the density of MMP-12 positive cells in CS, DEP and CS+DEP, and Mac-2 in DEP, all after 6 months of exposure.Therefore, the onset of COPD, with enlargement of alveolar spaces, occurs after 6 mo of exposure independent of which exogenous particles were inhaled. However, we did not show an impairment in emphysema when animals received both CS+DEP inhalation. Analysis of cell profiles showed an increase in inflammatory cells after CS or DEP exposure, but on different pathways, while interaction of CS+DEP showed an additive effect that attenuated the inflammatory process after 6 mo and that intensively acted on remodeling mechanisms. Our study supports the additives effects of the interaction between CS and DEP, mimicking a smoker exposed to urban air pollution. And reaffirms that this complex interaction still demand more clarification and it is a great field of research in lung disease

Os motores a diesel são bastante utilizados nos centros urbanos e sua queima é considerada um grande poluidor ambiental e tóxico para a saúde humana. Devido suas características químicas, as partículas de diesel atingem as vias aéreas mais distais, o que pode induzir inflamação pulmonar e piorar doenças como asma brônquica e enfisema pulmonar. Recentemente foi demonstrado por nosso grupo que o sistema colinérgico anti-inflamatório é um importante modulador da inflamação pulmonar. Assim, nosso objetivo no presente estudo foi avaliar se a deficiência colinérgica induzida por alteração genética para redução da expressão da proteína vesicular transportadora de acetilcolina (VAChT) interfere nas alterações funcionais e histopatológicas pulmonares em modelo experimental de instilação repetida de partículas de exaustão de diesel (DEP). Para tanto, camundongos machos geneticamente modificados para redução de VAChT foram utilizados, divididos de acordo com a genotipagem em selvagem (WT) e knock-down para VAChT (KD) e submetidos ao protocolo de exposição de DEP, que consistiu em instilação intranasal de 10uL de DEP na concentração de 3mg/mL por 30 dias (5x por semana). Animais dos grupos controle receberam salina seguindo mesmo protocolo. Foram avaliados: alterações de mecânica do sistema respiratório, resposta inflamatória no lavado broncoalvelar (LBA), imunohistoquimica e Elisa para detecção de citocinas, remodelamento da matriz extracelular pulmonar e presença de muco no epitélio brônquico e nasal. Nossos resultados mostraram que animais selvagens submetidos à DEP apresentaram aumento de macrófagos no LBA e células mononucleares no sangue, da expressão de TNF-alfa, IL-4, IL-6 e IL-13 no tecido pulmonar, de remodelamento de fibras colágenas no tecido e aumento na produção de muco neutro nas vias aéreas quando comparado ao controle exposto à salina. Estas alterações foram associadas a uma piora da função pulmonar. A deficiência colinérgica nos animais que foram submetidos à instilação de DEP induziu um aumento de neutrófilos e linfócitos no LBA e granulócitos no sangue, da expressão de IL-4 e TNF-alfa no pulmão e do conteúdo de fibras elásticas na parede do septo alveolar. Além disso, induziu um aumento de muco ácido no epitélio nasal. Estes dados sugerem que, pelo menos em parte, o sistema colinérgico interfere na inflamação pulmonar induzida por exposição à DEP, uma vez que animais com deficiência colinérgica apresentam piora de alguns parâmetros inflamatórios não observados ou observados em menor escala nos animais selvagens / Diesel automotive engines are widely used in urban centers and its exhausts is considered a major environmental and toxic pollutant to human health. Because of their chemical characteristics, diesel particulate reaches more distal airways, which can induce and worsen pulmonary inflammation diseases such as bronchial asthma and pulmonary emphysema. It has recently been demonstrated by our group that the cholinergic anti-inflammatory system is an important modulator of lung inflammation. Thus, the aim of this study was to evaluate whether the cholinergic deficiency induced by reduced expression of the vesicular acetylcholine transporter protein (VAChT) interferes in pulmonary function and histopathological changes in an experimental model of repeated diesel exhaust particles (DEP) instillation. To this end, male mice with reduction in VAChT were used, divided according to genotyping for wild-type (WT) and knock-down for VAChT (KD), and submitted to DEP exposure protocol, which consisted in intranasal instillation of 10 ?L of DEP in a concentration of 3 mg/mL for 30 days (5x per week). Control groups received saline following the same protocol. We evaluated: respiratory mechanics, inflammation in broncoalveolar lavage (BAL), immunohistochemistry and ELISA for cytokine detection, pulmonary extracellular matrix remodeling and bronchial and nasal epithelium mucus. Our results showed that WT animals submitted to DEP protocol showed increased macrophages in BAL and mononuclear cells in peripheral blood, increased expression of TNF-alfa, IL-4, IL-6 and IL-13 in lung tissue, collagen fibers remodeling in lung parenchyma and increase in neutral mucus production in the airways when compared to the saline exposed animals. These changes were associated with worse lung function. The cholinergic deficiency in the animals instilled with DEP induced an increase in BAL neutrophils and lymphocytes and granulocytes in the peripheral blood, in the expression of IL-4 and TNF-alfa and in lung elastic fibers content in alveolar septa. In addition, there was an increase in acid mucus in nasal epithelium. These data suggest that, at least in part, cholinergic system interferes with pulmonary inflammation induced by DEP exposures, since animals with cholinergic deficiency exhibit some inflammatory alterations which are not observed or observed on a smaller scale in wild-type animals

Partículas da exaustão de motores a diesel (DEP) têm propriedades toxicológicas, devido às características físico-químicas. O DEP é capaz de ativar as vias de sinalização intracelular e induzir alterações metabólicas em células e tecidos do sistema respiratório. O objetivo desta tese foi: 1) avaliar o perfil das mucinas e alterações epiteliais em explantes de traqueia de camundongo BALB/c expostos ao DEP e DEP tratado com ácido nítrico e solventes orgânicos; e 2) em cultura de células de epitélio brônquico humano (BEAS-2B) expostas ao DEP e DEP tratado com hexano (DEP/HEX) para avaliar ativação de MAPK (ERK e JNK), citotoxidade, integridade de citoesqueleto, viscoelasticidade celular e expressão gênica de enzimas envolvidas no estresse oxidativo e apoptose. Os resultados mostraram que, em explantes de traqueia, o DEP causa aumento significativo em relação ao grupo controle na quantidade de muco ácido (p= 0,001), diminuição no muco neutro (p=0,001), diminuição de muco misto (p= 0,001), aumento de vacuolização (p= 0,001), aumento de apoptose (p=0,001), ora com aumento de pERK e diminuição de pJNK, e vice-versa. Os explantes submetidos à exposição ao DEP e DEP/MET aumentaram significativamente o muco ácido (p=0,01) e DEP/HEX provocou aumento da extrusão do muco (p=0,007), provavelmente devido à ação do enriquecimento inorgânico. Para as células BEAS-2B, nos resultados obtidos com células epiteliais expostas ao DEP e DEP/HEX, foram observadas alterações na membrana citoplasmática, mitocôndrias e citoesqueleto. As células expostas apenas ao DEP em baixas concentrações (15ug/mL) apresentaram alterações na expressão de genes envolvidos no apoptose (BCL-2 e Caspase-3 (p=0,05 e p=0,01) e estresse oxidativo [(SOD1 e SOD2 e GPx. p=0,01 )], e CYP1A1 ((p=0,01) / Diesel exhaust particles (DEPs) from diesel engines have toxic properties that result from their physical and chemical characteristics. DEPs are able to activate intracellular signaling pathways and induce metabolic changes to cells and tissues of the human respiratory system. This dissertation sought to evaluate: 1) the profile of mucins and the epithelial changes to the tracheal explants of BALB/c mice exposed to both DEP and DEP treated with nitric acid and organic solvents (50 and 100 ug/mL; and 2) human bronchial epithelial cells (BEAS-2B) in culture after their exposure to both DEP and DEP treated with hexane (DEP/HEX) at 100 ug/mL in order to determine MAPK (ERK/JNK) activation, cytotoxicity, cytoskeletal integrity, cell viscoelasticity and gene expression of the enzymes involved in oxidative stress and apoptosis. The results show that, in tracheal explants, DEP causes a significant increase (compared to the control) in the quantity of acidic mucus (p=0.001), a decrease in alkaline mucus (p=0.001), a decrease in mixed mucus (p=0.001), an increase in vacuolization (p=0.001), an increase in apoptosis (p=0.001), along with an increase in pERK and a decrease in pJNK, and vice versa. The explants that were exposed to DEP and DEP/MET were found to have significantly higher quantities of acidic mucus (p=0.01), and DEP/HEX caused an increase in mucus extrusion (p=0.007), which was likely due to inorganic enrichment. In the case of BEAS-2B cells, the results obtained from epithelial cells exposted to DEP and DEP/HEX revealed alterations in the cytoplasmic membrane, the mitochondria, and the cytoskeleton. The cells exposed to DEP alone at low concentrations (15 ug/mL) experienced alterations in the genes involved in apoptosis (BCL-2 and Caspase-3; p=0.05 and p=0.01, respectively), as well as oxidative stress [(SOD1, SOD2, and GPx; p=0.01 )], and changes to CYP1A1 (p=0.01)

[ES] La contaminación atmosférica urbana, generada en gran medida por las emisiones vehiculares en ciudades densamente pobladas, representa una amenaza significativa para la salud pública y la sostenibilidad ambiental. Las estrategias tradicionales de gestión del tráfico se han centrado históricamente en reducir la congestión, desatendiendo los impactos ambientales del tráfico vehicular. Esta tesis aborda este problema mediante el desarrollo de un marco de gestión del tráfico urbano que integra criterios de contaminación, particularmente a través de la incorporación innovadora de datos en tiempo real sobre la calidad del aire en las decisiones de reencaminamiento del tráfico. Utilizando la ciudad de Valencia como estudio de caso, el marco combina la modelización realista del tráfico, el análisis de emisiones y nuevas estrategias de reencaminamiento estático y dinámico basadas en criterios medioambientales. Nuestro recorrido comienza con el innovador desafío de generar datos de demanda de tráfico precisos, sin comprometer la privacidad. Aprovechando los datos de detectores de bucles de inducción, proponemos un enfoque que se aprovecha del uso de la ingeniería inversa para crear un modelo de demanda de tráfico realista. Este método mejora significativamente la precisión en la representación del volumen de tráfico, la distribución espacial de los puntos de origen, y la longitud de las rutas en comparación con las soluciones actuales, proporcionando una base más fiable para análisis posteriores. Sobre esta base, empleamos la herramienta SUMO, junto con el modelo de emisiones HBEFA, para simular el flujo de tráfico y las emisiones de los vehículos. SUMO proporciona capacidades detalladas de simulación de tráfico, mientras que HBEFA ofrece factores de emisión completos para el transporte por carretera, lo que los hace ideales para nuestras necesidades de modelización. A continuación desarrollamos SUMO2GRAL, una herramienta personalizada que integra los resultados de SUMO con GRAL para realizar un modelado detallado de la dispersión de contaminantes, y traducir estas emisiones expresadas en masa a concentración. Esta integración tiene en cuenta factores como la orografía urbana y las condiciones meteorológicas, mejorando así la precisión de las evaluaciones de la calidad del aire en entornos urbanos. A continuación, exploramos estrategias de reencaminamiento del tráfico dirigidas a mitigar la contaminación del aire. Primero, presentamos un enfoque de reencaminamiento estático que ajusta los pesos del tráfico en segmentos de calles según parámetros ambientales fijos. Al aplicar este método en Valencia, demostramos su efectividad en la reducción de las concentraciones de contaminantes, especialmente en áreas críticas como espacios verdes o parques, proporcionando implicaciones prácticas para la política y planificación urbanas. Reconociendo las limitaciones de los métodos estáticos para adaptarse a condiciones dinámicas, desarrollamos un algoritmo dinámico de reencaminamiento del tráfico que ajusta las rutas de los vehículos basándose en los datos de calidad del aire de las calles, y en los perfiles específicos de emisiones de los vehículos. Al introducir un factor de sensibilidad de emisiones, nuestro algoritmo modula las decisiones de encaminamiento en respuesta a las condiciones ambientales. Las simulaciones de situaciones de crisis ambiental, como incendios de edificios, y episodios de niebla producida por la contaminación (smog), revelan que el enfoque dinámico reduce significativamente las concentraciones de contaminantes en las áreas afectadas sin afectar gravemente la eficiencia del tráfico, equilibrando eficazmente los niveles de calidad del aire y de movilidad. Esto proporciona valiosas ideas para urbanistas y responsables políticos en el diseño de sistemas de gestión del tráfico que prioricen la salud pública.[...] / [CA] La contaminació atmosfèrica urbana, generada en gran part per les emissions de vehicles en ciutats densament poblades, representa una amenaça significativa per a la salut pública i la sostenibilitat ambiental. Les estratègies tradicionals de gestió del trànsit s'han centrat històricament en reduir la congestió, deixant de costat els impactes ambientals del trànsit vehicular. Esta tesi aborda este problema a través del desenroll d'un marc de gestió del trànsit urbà que integra criteris de contaminació, particularment mitjançant la incorporació innovadora de dades en temps real sobre la qualitat de l'aire en les decisions de reencaminament del trànsit. Utilisant la ciutat de Valéncia com a cas d'estudi, el marc combina la modelació realista del trànsit, l'anàlisi d'emissions i noves estratègies de reencaminament estàtic i dinàmic basades en criteris mediambientals. El nostre recorregut comença amb el repte innovador de generar dades de demanda de trànsit precises sense comprometre la privacitat. Aprovisionant-se de les dades de detectors de bucles d'inducció, proponem un enfocament que es beneficia de l'ingenieria inversa per a crear un model de demanda de trànsit realista. Este métode millora significativament la precisió en la representació del volum de trànsit, la distribució espacial dels punts d'orige i la longitud de les rutes en comparació en les solucions actuals, proporcionant una base més fiable per a anàlisis posteriors. Sobre esta base, usem l'eina SUMO, junt en el model d'emissions HBEFA, per a simular el flux de trànsit i les emissions dels vehicles. SUMO oferix capacitats detallades de simulació de trànsit, mentres que HBEFA proporciona factors d'emissió complets per al transport per carretera, lo que els fa ideals per a les nostres necessitats de modelació. A continuació, desenrollem SUMO2GRAL, una ferramenta personalisada que integra els resultats de SUMO en GRAL per a realisar una modelació detallada de la dispersió de contaminants, i traduir estes emissions expressades en massa a concentració. Esta integració té en compte factors com l'orografia urbana i les condicions meteorològiques, millorant així la precisió de les evaluacions de la qualitat de l'aire en entorns urbans. A continuació, explorem estratègies de reencaminament del trànsit dirigides a mitigar la contaminació de l'aire. Primer, presentem un enfocament de reencaminament estàtic que ajusta els pesos del trànsit en segments de carrers segons paràmetres ambientals fixos. En aplicar este métode en Valéncia, demostrem la seua efectivitat en la reducció de les concentracions de contaminants, especialment en àrees crítiques com espais verds o parcs, proporcionant implicacions pràctiques per a la política i la planificació urbana. Reconeguent les limitacions dels métodes estàtics per a adaptar-se a condicions dinàmiques, desenrollem un algoritme dinàmic de reencaminament del trànsit que ajusta les rutes dels vehicles basant-se en les dades de qualitat de l'aire dels carrers i en els perfils específics d'emissions dels vehicles. Al introduir un factor de sensibilitat d'emissions, el nostre algoritme modula les decisions d'encaminament en resposta a les condicions ambientals. Les simulacions de situacions de crisi ambiental, com incendis d'edificis i episodis de boira produïda per la contaminació (smog), revelen que l'enfocament dinàmic reduïx significativament les concentracions de contaminants en les àrees afectades sense afectar greument l'eficiència del trànsit, equilibrant eficaçment els nivells de qualitat de l'aire i de mobilitat. Això proporciona valuoses idees per a urbanistes i responsables polítics en el disseny de sistemes de gestió del trànsit que prioritzen la salut pública. Finalment, ampliem el nostre anàlisi a escenaris futurs de trànsit urbà examinant l'evolució esperada del parc vehicular de Valéncia, en particular l'augment en l'adopció de vehicles elèctrics.[...] / [EN] Urban air pollution, primarily generated by vehicular emissions in densely populated cities, poses a significant threat to public health and environmental sustainability. Traditional traffic management strategies have historically focused on reducing congestion, neglecting the environmental impacts of vehicular traffic. This thesis addresses this issue by developing a framework for urban traffic management that integrates pollution criteria, particularly by incorporating real-time air quality data into traffic re-routing decisions. Using the city of Valencia as a case study, the framework combines realistic traffic modelling, emissions analysis, and new static and dynamic re-routing strategies based on environmental criteria. Our journey begins with the innovative challenge of generating accurate traffic demand data without compromising privacy. Leveraging data from induction loop detectors, we propose an approach that utilises reverse engineering to create a realistic traffic demand model. This method significantly improves the accuracy in representing traffic volume, the spatial distribution of origin points, and route lengths compared to current solutions, providing a more reliable foundation for further analysis. Building on this foundation, we use the SUMO tool and the HBEFA emissions model to simulate vehicle traffic flow and emissions. SUMO provides detailed traffic simulation capabilities, while HBEFA offers comprehensive emission factors for road transport, making them ideal for our modelling needs. We then develop SUMO2GRAL, a custom tool that integrates SUMO results with the GRAL to perform detailed pollutant dispersion modelling and translate emissions expressed in mass into concentration. This integration considers factors such as urban orography and meteorological conditions, thereby improving the accuracy of air quality assessments in urban environments. Next, we explore traffic re-routing strategies aimed at mitigating air pollution. First, we present a static re-routing approach that adjusts traffic weights on street segments based on fixed environmental parameters. By applying this method in Valencia, we demonstrate its effectiveness in reducing pollutant concentrations, especially in critical areas such as green spaces or parks, providing practical implications for urban policy and planning. Recognising the limitations of static methods in adapting to dynamic conditions, we develop a novel dynamic traffic re-routing algorithm that adjusts vehicle routes based on street-level air quality data and specific vehicle emissions profiles. By introducing an emission sensitivity factor, our algorithm modulates routing decisions in response to environmental conditions. Simulations in Valencia of environmental crises, such as building fires and smog episodes, reveal that the dynamic approach significantly reduces pollutant concentrations in affected areas without severely impacting traffic efficiency, effectively balancing air quality and mobility levels. This provides valuable insights for urban planners and policymakers in designing responsive traffic management systems prioritising public health. Finally, we extend our analysis to future urban traffic scenarios by examining the expected evolution of the vehicle fleet in Valencia, particularly the increase in electric vehicle adoption. Based on vehicle fleet evolution models from similar European cities, we simulate scenarios that consider technological advancements and social trends. Our findings suggest that a gradual transition to electric vehicles can substantially improve air quality over time, highlighting the importance of promoting cleaner technologies alongside effective traffic management.[...] / Padrón Pérez, JD. (2024). An urban traffic management framework integrating pollution criteria [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/214027