Влияние вдыхаемых многостенных углеродных нанотрубок на кровяное давление и сердечную функцию

Фон

В связи с потенциально широким промышленным применением и увеличением производства вероятность воздействия наноматериалов увеличилась во многих отраслях промышленности. Поэтому неблагоприятным последствиям воздействия наноматериалов на здоровье уделяется большое внимание. Исследования на животных показали, что кратковременное воздействие искусственных наночастиц на легкие может вызвать тяжелую или незначительную воспалительную реакцию в легких в зависимости от физических и химических свойств испытанного наноматериала. Кроме того, воздействие углеродных нанотрубок (УНТ) на легкие было связано с фиброзом легких и развитием рака [1,2,3,4,5]. Хотя недавний акцент на профессиональном воздействии наноматериалов был сосредоточен в большей степени на заболеваниях легких и канцерогенезе, а не на сердечно-сосудистой системе, данные эпидемиологических исследований и недавних исследований на животных убедительно показывают, что воздействие наноматериалов на легкие может повлиять на сердечно-сосудистую систему из-за воспаления, вызванного наночастицами, транслокации , и / или регуляция нейронов [6,7,8,9]. Наши исследования показали, что наночастицы из ультратонкого диоксида титана (UFTiO ₂ ) и многослойные углеродные нанотрубки (MWCNT) в дозах, вызывающих незначительную острую воспалительную реакцию в легких, могут временно увеличивать синтез нейромедиаторов в периферических нейронах [8] и приводить к изменениям активности вегетативной нервной системы ( ANS) [10]. Кроме того, мы также ранее сообщали, что прямое воздействие UFTiO ₂ на изолированные кардиомиоциты не влиял на биологическую активность кардиомиоцитов [11]. Взятые вместе, наши исследования убедительно свидетельствуют о том, что некоторые наноматериалы в дозах, которые оказывают незначительное острое воздействие на легкие, влияют на сердечно-сосудистую систему, влияя на нейронную систему, а не за счет прямого перемещения наночастиц к сердцу.

ВНС играет важную роль в поддержании нормальной сердечно-сосудистой функции. Нарушение ВНС может привести к функциональным нарушениям сердечно-сосудистой системы, что может привести к гипертонии, инсульту или сердечной аритмии [12,13,14,15]. Эпидемиологические исследования подтвердили способность вдыхаемых наночастиц вызывать сердечно-сосудистые осложнения. Например, вдыхание твердых частиц, загрязняющих воздух, всего на несколько часов, привело к увеличению смертности и заболеваемости, связанных с сердечно-сосудистыми заболеваниями, за счет изменения баланса ВНС у людей, особенно у людей с уже существующими сердечно-сосудистыми заболеваниями [16]. Эпидемиологические исследования также показывают, что ультрамелкие частицы (UFP) могут вносить значительный вклад в сердечно-сосудистые эффекты загрязнения воздуха твердыми частицами, отчасти из-за относительно более эффективного альвеолярного отложения UFP по сравнению с мелкими частицами [17]. Более крупные частицы в воздухе, которые оседают в проводящих дыхательных путях, могут быстро удаляться мукоцилиарным эскалатором, основным механизмом легочного клиренса. Однако наноразмерные частицы могут обходить эту первую защитную систему, глубоко проникать в трахею и легкие, чтобы постоянно стимулировать сенсорные нейрональные окончания. Ранее мы продемонстрировали, что вдыхаемые MWCNT значительно влияют на вариабельность сердечного ритма (ВСР) [10]. В настоящем исследовании использовалась модель на крысах, чтобы дополнительно выяснить влияние воздействия MWCNT на легкие на функцию сердечно-сосудистой системы и сопоставить эти изменения с активностью ВНС.

Методы

Животное

Самцы крыс Sprague-Dawley (Hla:(SD) CVF) от Hilltop Lab Animals (Скотдейл, Пенсильвания, США), весом 275–300 г и не содержащие вирусных патогенов, паразитов и микоплазм, Helicobacter и респираторных ресничек (CAR) bacillus использовали для всех экспериментов. Крыс акклиматизировали в течение 1 недели после прибытия и помещали в клетки с верхним фильтром в условиях контролируемой температуры и влажности и цикла 12 часов свет / 12 часов темноты. Еда (Teklad 7913) и водопроводная вода предоставлялись без ограничений. Помещения для животных не содержат определенных патогенов, находятся под контролем окружающей среды и аккредитованы Ассоциацией по оценке и аккредитации Международной организации по уходу за лабораторными животными (AAALAC). Все процедуры с животными, использованные в ходе исследования, были рассмотрены и одобрены Комитетом по уходу и использованию животных Национального института охраны труда и здоровья.

Воздействие MWCNT на легкие при вдыхании

MWCNT были получены от Hodogaya Chemical Company (MWCNT-7, лот № 061220-31). Самцы крыс Sprague-Dawley (250–300 г) подвергались воздействию аэрозоля MWCNT (5 мг / м ³ ) в течение 5 ч. Крыс помещали по отдельности в герметичные клетки, которые были соединены с основной камерой экспонирования (используемой в качестве камеры смешивания для этого исследования) через антистатические гибкие трубки. Основные насосы для отбора проб воздуха Gilian gilair-5 R (Sensidyne, Санкт-Петербург, FL 33716 США) были прикреплены к герметичным клеткам для втягивания аэрозоля МУНТ из основной камеры экспонирования / смешивания или отфильтрованного воздуха (контрольная группа) в герметичную клетку. при расходе 1,25 л / мин. Массовое распределение частиц аэрозоля MWCNT в герметичной клетке определяли с помощью каскадного импактора (MOUDI, Models 110 и 115, MSP Co., Shoreview, MN). Массовая концентрация МУНТ определялась физико-гравиметрическим анализом с тефлоновыми фильтрами. Система генерации аэрозоля, камера экспонирования и физические характеристики аэрозоля MWCNT описаны в других работах [10, 18, 19]. Используя фракцию осаждения 1,5 или 2,7% и среднюю минутную вентиляцию 186 мл / мин [5], общая нагрузка на легкие с нашей схемой воздействия рассчитывается как 5 мг / м ³ (концентрация воздействия) × 186 мл / мин (минутная вентиляция) × 10 ^{- 6} м ³ / мл (преобразование объема) × 300 мин (продолжительность воздействия) × 1,5 или 2,7% (фракция альвеолярного отложения), что примерно равно 4,2 или 7,5 мкг MWCNT у крыс. Для достижения такой же нагрузки на легкие требуется всего 14–25 дней воздействия, если рабочий подвергается воздействию MWCNT на уровне 40 мкг / м ³ , что является допустимым профессиональным облучением человека [19, 20].

Имплантация передатчика телеметрии

Перед операцией крыс держали отдельно, в тишине и осторожно обращались с ними, чтобы избежать стресса. Хирургические инструменты и принадлежности были автоклавированы, и на протяжении всей хирургической процедуры использовалась асептическая техника. Анестезию вызывали 3% изофлураном и 1 л кислорода в минуту в индукционной камере и поддерживали на уровне 2% изофлурана и 1/2 литра кислорода в минуту во время операции. Грелку с регулируемой температурой использовали для поддержания нормальной температуры тела крыс, которую контролировали с помощью анального зонда в течение всей процедуры. Сердечно-легочные реакции были изучены в качестве интраоперационной техники мониторинга наряду со спинальными рефлексами для определения необходимой глубины анестезии. Места разрезов были вырезаны и затем обработаны в асептических условиях повидон-йодом, а затем 70% спиртом. Сделали разрез брюшной полости по средней линии и обнажили брюшную аорту с помощью стерильных ватных тампонов. Катетер передатчика телеметрии (HD-S21, Data Sciences International, Сент-Пол, Миннесота) вводили в брюшную аорту и направляли вверх по потоку. Тканевый клей (Vetbond, 3M Animal Care Products, Сент-Пол, Миннесота) использовали для закрепления катетера и достижения гемостаза. Корпус телеметрического устройства располагался под брюшной стенкой на левой боковой стороне разреза и закреплялся на месте путем наложения швов на брюшную мышцу нерассасывающейся нитью 4–0 (Surgical Specialties Corporation, Wyomissing, PA). Послеоперационный уход включал 5 мг / кг мелоксикама (Metacam, Boehringer Ingelheim Vetmedica, Inc., Сент-Джозеф, Миссури), вводимого подкожно для снятия боли один раз в день в течение 4 дней. Общее состояние, массу тела, потребление корма и воды крысами тщательно контролировали. Перед сбором данных и ингаляционным воздействием у крыс был период выздоровления в течение 3 недель.

Измерения гемодинамики in vivo

Функцию левого желудочка в ответ на добутамин после воздействия MWCNT оценивали с помощью петлевого катетера давление-объем, помещенного в левый желудочек анестезированной крысы. Через 1 и 7 дней после воздействия крысу анестезировали 3% изофлураном с 2 л кислорода в минуту в индукционной камере и поддерживали на уровне 1-2% изофлурана с 1 л кислорода в минуту во время операции. Сердечно-легочная реакция (частота сердечных сокращений, частота дыхания и глубина) и спинномозговой рефлекс защемления пальца ноги были исследованы в качестве методов интраоперационного мониторинга. Нормальная температура тела поддерживалась с помощью грелки с регулируемой температурой и контролировалась с помощью анального зонда в течение всей процедуры. Крысу помещали в положение лежа на спине, места разрезов вырезали и затем в асептических условиях обрабатывали повидон-йодом, а затем 70% спиртом. Ультраминиатюрный петлевой катетер Mikro-Tip® Миллара (SPR-901, Millar, Inc., Хьюстон, Техас) вводили в левый желудочек через сонную артерию. Правильное положение кончика катетера в левом желудочке было подтверждено формой волны петли давление-объем, визуализированной на мониторе компьютера. После стабилизации в течение 20 минут сигналы функции левого желудочка непрерывно регистрировались с частотой дискретизации 1000 выборок / с с использованием системы PV-проводимости (MPVS-Ultra, Millar Instruments, Хьюстон, Техас, США), подключенной к PowerLab 4/30. система сбора данных (AD Instruments, Колорадо-Спрингс, Колорадо, США). Добутамин марки USP (Hospira, Inc., Лейк-Форест, Иллинойс) готовили в фармацевтическом стерильном физиологическом растворе (1,25, 2,5, 5, 10 мкг / кг / 50 мкл) и вводили через яремную вену с помощью программируемого шприца Pump 11 Elite. Насос (Harvard Apparatus, Холлистон, Массачусетс, США) на 30 с для каждой дозы.

Сбор и анализ данных

Артериальное давление бодрствующих свободно движущихся крыс регистрировали непрерывно в течение 24 ч до воздействия, во время воздействия MWCNT, через 1 и 7 дней после воздействия. В день экспонирования крысам давали возможность акклиматизироваться в камере в течение 30 минут, затем производились непрерывные записи в течение 5 часов (с 9:00 до 14:00) во время воздействия. Данные об артериальном давлении у каждого животного были собраны и затем экспортированы (программное обеспечение для анализа Dataquest ART; Data Sciences International) в программу электронных таблиц Excel (Excel 2010, Microsoft Corporation, Сиэтл, Вашингтон). Систолическое артериальное давление (САД), диастолическое артериальное давление (ДАД) и среднее артериальное давление были усреднены в течение 5-часового воздействия (с 9:00 до 14:00) для сравнения между контрольной группой и группами воздействия MWCNT.

Статистический анализ

Данные сравнивали с использованием двухстороннего (ежедневное лечение) дисперсионного анализа с повторными измерениями. Последующие попарные сравнения были протестированы с использованием LSD Фишера. Все данные были проанализированы с использованием программного обеспечения SAS (версия 9.3), и различия считались статистически значимыми на уровне p <0,05. Значения на рисунках выражены как среднее ± стандартная ошибка.

Результаты

В этом исследовании были определены массовое распределение частиц по размерам и массовая концентрация аэрозоля MWCNT в герметичной камере экспонирования. Результаты показывают средний аэродинамический диаметр 1,4 мкм (рис. 1) и массовую концентрацию MWCNT 5 мг / м ³ . (данные не показаны).

Типичное распределение аэрозоля MWCNT по размерам в герметичной камере экспонирования, которое указывает на средний массовый аэродинамический диаметр 1,4 мкм

Артериальное давление измерялось у свободно движущихся крыс, оснащенных средствами телеметрии, и сравнивалось как процентное изменение по сравнению с предварительным воздействием. Наши результаты показали, что систолическое, диастолическое и среднее артериальное давление были значительно увеличены в течение 5-часового периода воздействия в группе, подвергшейся воздействию MWCNT, по сравнению с контрольной группой (рис. 2a – c). Через 1 день после воздействия, хотя процентное изменение систолического, диастолического и среднего артериального давления в группе, подвергшейся воздействию MWCNT, все еще оставалось выше, чем в контрольной группе, разница не была значимой (рис. 2a – c). Через 7 дней после воздействия не было никакой разницы в артериальном давлении между двумя группами (рис. 2a – c).

а Гистограмма, отображающая процентное изменение систолического артериального давления (САД) в течение периода воздействия и через 1 и 7 дней после воздействия от базального уровня до воздействия (контроль до воздействия по сравнению с MWCNT:127,0 ± 3,0 против 127,6 ± 1,7 мм рт. Ст.). б Гистограмма, отображающая процентное изменение диастолического артериального давления (ДАД) в течение периода воздействия и через 1 и 7 дней после воздействия от базального уровня до воздействия (контроль до воздействия по сравнению с MWCNT:85,1 ± 2,0 против 86,9 ± 1,2 мм рт. Ст.). c Гистограмма, отображающая процентное изменение среднего артериального давления (САД) в течение периода воздействия и через 1 и 7 дней после воздействия от базального уровня до воздействия (контроль до воздействия по сравнению с MWCNT:99,1 ± 2,3 против 100,4 ± 1,4 мм рт. Ст.). Каждое значение представляет собой среднее значение ± стандартная ошибка восьми крыс. P <0,01 по сравнению с контрольной группой (*)

Функцию сердца после воздействия MWCNT оценивали путем измерения производительности левого желудочка в ответ на повышенные дозы добутамина у анестезированных крыс через 1 и 7 дней после воздействия. Результаты показали, что воздействие MWCNT несколько снижает базальный ударный объем сердца (SV), работу сердца (SW) и сердечный выброс (CO), но значительно снижает чувствительность ударного объема, ударной работы и сердечного выброса к увеличению дозы добутамин через 1 день после воздействия (рис. 3, 4 и 5). Через 7 дней после воздействия не наблюдалось различий между двумя группами (рис. 3, 4 и 5). Также измерялось артериальное давление в присутствии повышенных доз добутамина, и не было никакой разницы между контрольной группой и группами, получавшими MWCNT (рис. 6).

Линейный график, отображающий процентное изменение ударного объема (SV) от базального уровня до воздействия (контроль перед воздействием против MWCNT через 1 день после:109,3 ± 7,0 против 106,7 ± 10,4 мкл, контроль против MWCNT через 7 дней после:118,8 ± 5,7 против 127,5 ± 3,7 мкл). Каждое значение представляет собой среднее значение ± стандартная ошибка восьми крыс. P <0,01 воздействия по сравнению с контрольной группой через 1 день после воздействия (*)

Линейный график, изображающий процентное изменение инсультной работы (SW) от базального уровня до воздействия (контроль до воздействия против MWCNT через 1 день после:11276 ± 1165 против 11 151,7 ± 727,9 мм рт.ст. × мкл, контроль против MWCNT через 7 дней после:13245 ± 893,4 против 13644,2 ± 536,5 мм рт. Ст. × мкл). Каждое значение представляет собой среднее значение ± стандартная ошибка восьми крыс. P <0,01 воздействия по сравнению с контрольной группой через 1 день после воздействия (*)

Линейный график, изображающий процентное изменение сердечного выброса (СО) от базального уровня до воздействия (контроль до воздействия против MWCNT через 1 день после:42243,3 ± 4500,1 против 40,556,6 ± 2308,8 мкл / мин, контроль против MWCNT через 7 дней после:44903,3 ± 2906,0 против 46210 ± 1624,8 мкл / мин). Каждое значение представляет собой среднее значение ± стандартная ошибка восьми крыс. P <0,01 воздействия по сравнению с контрольной группой через 1 день после воздействия (*)

Линейный график, изображающий процентное изменение среднего артериального давления (MBP) от базального уровня до воздействия (контроль против MWCNT через 1 день после:97,7 ± 2,8 против 98,1 ± 2,6, контроль против MWCNT через 7 дней после:102,5 ± 4,2 против 100,9 ± 5.5). Каждое значение представляет собой среднее значение ± стандартная ошибка восьми крыс

Обсуждение

Роль вегетативной нервной системы (ВНС) в регуляции сердечно-сосудистой функции хорошо изучена [21]. Ранее мы сообщали, что легочное вдыхание MWCNT изменяет вариабельность сердечного ритма (ВСР) и снижает частоту сердечных сокращений (ЧСС) за счет увеличения активности как симпатической, так и парасимпатической нервной системы у крыс [10]. Воздействие TiO ₂ на легкие у рабочих. частицы диаметром менее 300 нм были связаны с изменением ВСР, изменением, соответствующим влиянию частиц на вегетативную нервную систему [22]. Соответственно, эпидемиологическое исследование подтвердило, что ультрамелкий компонент твердых частиц в окружающем воздухе играет ключевую роль в регуляции вегетативной нервной деятельности сердечно-сосудистой системы [23]. Однако механизмы, с помощью которых изменения в вегетативной нервной системе в результате воздействия EN на легкие влияют на сердечно-сосудистую функцию, остаются неясными. Симпатическая и парасимпатическая нервные системы имеют тенденцию взаимодействовать друг с другом, регулируя сердечно-сосудистую функцию. Однако наши результаты показывают, что активность как симпатических, так и парасимпатических нервов увеличивалась одновременно после воздействия MWCNT [10]. Чтобы выяснить последствия изменения активности ВНС после воздействия ЭП на сердечно-сосудистую систему, артериальное давление регистрировалось и анализировалось у тех же бодрствующих свободно движущихся крыс, которые использовались для изучения ВСР, как мы сообщали ранее [10]. Наши результаты показали, что систолическое, диастолическое и среднее артериальное давление были значительно повышены во время воздействия MWCNT по сравнению с контрольной группой (рис. 2a – c) и оставались несколько выше (хотя и незначительно) через 1 день после воздействия. Значительно более высокое кровяное давление после воздействия MWCNT на легкие не было, вероятно, связано со стрессовой реакцией, поскольку реакция сохранялась на протяжении 5-часового воздействия и отличалась от контрольной группы с фильтрованным воздухом. Реакция на стресс обычно приводит к реакции «бей или беги», физиологической реакции с повышением артериального давления, учащением пульса и более сильным сердечным сокращением из-за тормозящего действия на парасимпатическую нейронную систему. В нашем предыдущем исследовании активность симпатической нервной системы напрямую стимулировалась ингаляцией MWCNT, предполагая, что стимулированное MWCNT увеличение активности симпатической нервной системы было ответственно за более высокое кровяное давление после воздействия MWCNT в настоящем исследовании.

В настоящем исследовании наши результаты показывают, что повышение артериального давления во время воздействия MWCNT было связано со снижением частоты сердечных сокращений у свободно движущихся крыс в состоянии бодрствования по сравнению с контрольной группой (граничит со статистической значимостью ( p =0,054)) (данные не показаны)). Снижение частоты сердечных сокращений, наблюдаемое во время воздействия, согласуется с нашим предыдущим сообщением о повышенной активности парасимпатических нервов во время воздействия MWCNT [10]. Доказательства корреляции между повышенной парасимпатической нервной активностью и влиянием на сердечную деятельность после воздействия MWCNT были подтверждены изучением базальной сердечной деятельности и сердечной реакции на добутамин, агонист β-адренергических рецепторов, у анестезированных крыс. Через 1 день после воздействия базальные показатели сердечной деятельности, такие как частота сердечных сокращений, сердечный выброс и конечное систолическое давление в левом желудочке, были ниже у крыс, подвергшихся воздействию MWCNT, хотя различия не достигли статистической разницы (данные не показаны). Влияние повышенной парасимпатической нервной активности на сердце также проявлялось в снижении чувствительности ударного объема, сердечной работы и сердечного выброса к добутамину (рис. 3, 4 и 5). Добутамин является агонистом β-рецепторов. Активация β-рецепторов в сердце имитирует симпатический эффект. Следовательно, снижение чувствительности сердечной деятельности к добутамину может быть связано со снижением симпатической нервной активности. Однако в настоящем исследовании снижение сердечной деятельности в присутствии добутамина, скорее всего, было результатом повышенной парасимпатической активности во время воздействия MWCNT, поскольку наше предыдущее исследование показало, что симпатическая нервная активность оставалась высокой после воздействия MWCNT у свободно движущихся крыс в бодрствующем состоянии [10]. . Хотя была разница во времени измерения артериального давления и сердечной функции у находящихся в сознании, свободно передвигающихся крыс и под наркозом крыс, снижение частоты сердечных сокращений у находящихся в сознании крыс вместе со сниженной чувствительностью сердечной функции к добутамину (рисунки 3, 4 и 5) подразумевает повышенная парасимпатическая активность и ее влияние на сердце после воздействия MWCNT.

Есть два механизма, которые могут способствовать снижению частоты сердечных сокращений и сердечной деятельности наряду с повышением артериального давления, которое произошло в этом исследовании. Один из них - это хорошо изученный рефлекторный ответ барорецепторов. Во-вторых, это прямое увеличение выхода парасимпатических нейронов в сердечно-сосудистый центр после вдыхания MWCNT, как мы сообщали ранее [10]. Оба механизма включают парасимпатическую нервную систему, но разными путями. Хорошо известно, что повышенное артериальное давление может возбуждать барорецептор, увеличивая его базальную скорость генерации потенциала действия и посылая сигнал в ядро ​​солитарного тракта (NTS), которое, в свою очередь, подавляет вазомоторный центр и стимулирует ядра блуждающего нерва [24 , 25]. Конечным результатом является снижение частоты сердечных сокращений и сердечной сократимости, что удерживает артериальное давление в узком диапазоне колебаний. В нашем исследовании снижение частоты сердечных сокращений и сердечной деятельности были связаны со значительно более высоким кровяным давлением после воздействия MWCNT у находящихся в сознании крыс, что могло быть связано с высоким кровяным давлением, запускающим барорецепторный рефлекс. Однако у анестезированных крыс мы не обнаружили разницы в базальном кровяном давлении между контрольной и экспериментальной группами (контроль по сравнению с MWCNT:среднее кровяное давление 98,6 против 97,9 мм рт. Ст.), Скорее всего, из-за воздействия анестезии [26]. Работа сердца в группе, получавшей MWCNT, была относительно слабой на базальном уровне по сравнению с контрольной группой (см. Условные обозначения на рис. 3, 4 и 5). Интересно, что реакция ударного объема, сердечной работы и сердечного выброса на повышенную дозу добутамина была значительно слабее у крыс, подвергшихся воздействию MWCNT, в то время как не было разницы в артериальном давлении, измеренном одновременно с сердечной функцией в ответ на добутамин между контрольными группами. и группы MWCNT (рис. 6). Эти наблюдения исключили роль барорецепторного рефлекса и убедительно предположили, что воздействие MWCNT на легкие может увеличить активность парасимпатической нервной системы через механизм, отличный от барорецепторного рефлекса. Доказательства прямой стимуляции парасимпатической нервной деятельности углеродными нанотрубками также наблюдались в другом исследовании на животных [27]. Это исследование показало, что интратрахеально введенные однослойные углеродные нанотрубки снижают частоту сердечных сокращений без повышения артериального давления у крыс [27]. Учитывая быстрое начало воздействия и временные эффекты на ВНС, артериальное давление и работу сердца, наше исследование также исключает возможную роль вызванного наночастицами воспаления и транслокации наночастиц в регуляции сердечно-сосудистой функции и поддерживает гипотезу о том, что воздействие на легкие наночастицы могут напрямую влиять на области головного мозга, которые отвечают за вегетативный контроль, что, в свою очередь, влияет на сердечно-сосудистую функцию.

Наше исследование показывает, что влияние вызванных MWCNT изменений в ВНС на сердечно-сосудистую систему, по-видимому, основано на распределении вегетативных нервов. В сосудистой системе кровеносные сосуды в основном иннервируются симпатическими нервами, большинство этих симпатических нервов выделяют норадреналин (NE), который связывается с α ₁ -адренергические рецепторы, вызывающие сужение сосудов. В организме есть только несколько типов кровеносных сосудов, которые иннервируются парасимпатическими холинергическими или симпатическими холинергическими нервами, оба из которых выделяют ацетилхолин (АХ), который связывается с мускариновыми рецепторами, вызывая расширение сосудов. Следовательно, общий эффект увеличения как симпатической, так и парасимпатической нервной активности заключается в повышении артериального давления за счет сужения сосудов. Сердце иннервируется парасимпатическими и симпатическими волокнами, которые взаимодействуют друг с другом, модулируя частоту сердечных сокращений (хронотропия), силу сокращения (инотропия) и расслабление (лузитропия) [28, 29]. Воздействие MWCNT вызывало более медленную частоту сердечных сокращений и снижение ударного объема, ударной работы и сердечного выброса в ответ на добутамин (рис. 3, 4 и 5), предполагая, что повышенная активность парасимпатической нервной системы была доминирующей в контроле частоты сердечных сокращений и сердечной деятельности. после воздействия на легкие MWCNT, даже в условиях повышенной симпатической активности.

Настоящее исследование было первым, в котором сообщалось, что воздействие MWCNT вызывает изменения в ВНС, которые могут значительно повлиять на сердечно-сосудистую функцию. Хотя влияние вдыхаемых MWCNT на кровяное давление, частоту сердечных сокращений и сердечную функцию наблюдалось преимущественно во время периода воздействия, а временное повышение артериального давления и снижение сердечной деятельности быстро адаптируются у здоровых животных, такие временные изменения сердечно-сосудистой функции может быть фактором риска, вызывающим сердечно-сосудистое событие у людей с уже существующими сердечно-сосудистыми заболеваниями, такими как сердечная недостаточность и гипертония. Недавнее исследование ишемии / реперфузии (I / R) in vivo показало, что воздействие MWCNT на легкие значительно увеличивает повреждение I / R даже при отсутствии значительного воспалительного ответа со стороны кровообращения [30]. Хорошо изучено, что нарушение вегетативной нервной системы может увеличить повреждение I / R, что приводит к большему повреждению сердечной ткани во время сердечной ишемии [31]. Во время сердечной недостаточности из-за слабости сердечной мышцы сердце не перекачивает достаточно крови к легким для обмена кислорода и к остальному телу для поддержания надлежащей функции органа. В этом скомпрометированном состоянии дальнейшее повышение артериального давления и снижение сократимости сердца за счет воздействия MWCNT может привести к ухудшению и без того нарушенной сердечно-сосудистой функции и перфузии органов. Наше исследование ясно показывает, что воздействие MWCNT может стимулировать активность ВНС, которая связана с изменением сердечно-сосудистой функции. Наблюдение из нашего исследования может иметь отношение к выводу Американской кардиологической ассоциации о том, что воздействие твердых частиц <2,5 мкм в окружающем воздухе в течение всего нескольких часов или недель может вызвать смертность и заболеваемость, связанные с сердечно-сосудистыми заболеваниями, у людей с уже существующими сердечно-сосудистыми заболеваниями. условия [16].

Выводы

Наблюдения в настоящем исследовании предоставляют фундаментальные доказательства, подтверждающие наши предыдущие результаты и гипотезу о том, что воздействие наночастиц в легкие может повлиять на сердечно-сосудистую функцию из-за изменений активности ВНС. В заключение, наше исследование показывает, что воздействие MWCNT-индуцированных изменений в ВНС может значительно повлиять на сердечно-сосудистую функцию. Further studies are warranted to investigate whether the transient alterations in cardiovascular function can cause more severe adverse impact on those with pre-existing cardiovascular conditions.

Сокращения

CNT:

Углеродные нанотрубки

CO:

Cardiac output

DBP:

Diastolic blood pressure

EKG:

Electrocardiogram

ENs:

Engineered nanoparticles

HR:

Heart rate

HRV:

Heart rate variability

MAP:

Mean blood pressure

MWCNT:

Multi-walled carbon nanotubes

SBP:

Systolic blood pressure

SV:

Stroke volume

SW:

Stroke work