| Инд. авторы: | Ромащенко А.В., Петровский Д.В., Мошкин М.П. |
| Заглавие: | Конгруэнтность интраназальной аэродинамики и функциональной неоднородности ольфакторного эпителия |
| Библ. ссылка: | Ромащенко А.В., Петровский Д.В., Мошкин М.П. Конгруэнтность интраназальной аэродинамики и функциональной неоднородности ольфакторного эпителия // Журнал общей биологии. - 2017. - Т.78. - № 1. - С.15-24. - ISSN 0044-4596. |
| Внешние системы: | РИНЦ: 28090484; |
| Реферат: | eng: Zonal organization of the olfactory system depends not only on the pattern of olfactory receptor genes expression but also on the geometry of nasal duct, where receptors to more muco-soluble compounds are concentrated within the dorsal part (the region where airflow velocity is maximal) while receptors to less volatile compounds are located in the ventral part. Increasing of airflow velocity in separate parts of nasal cavity allows, on the one hand, to promote perception of olfactory signals by the receptors while, on the other hand, magnifies the risk of those parts being exposed to different pathogens hold by the airflow, due to their more intensive subsidence. In the present study, we have shown, using manganese-induced magnetic resonance tomography (MRT), that after intra-nasal introduction of colloidal solution of manganese oxide nanoparticles (NOM, Mn3O4), in ventral parts of mice olfactory epithelium the capture of insoluble particles turns out to be more intensive than in dorsal ones. Combined introduction of NOM and specific blockers of cell transport and endocytosis indicates that in nasal cavity particles are captured by means of endocytosis and then conveyed to cells of an olfactory bulb through the intracellular transport. At that, in the dorsal part of olfactory epithelium, as opposed to the ventral one, the main contribution to NOM capturing belongs to clathrin-mediated type of endocytosis. Thus, it is established that in mice, the two functional parts of olfactory epithelium differing in intensity of submicron aerosol subsidence demonstrate different intensity of insoluble particles capturing from the nasal cavity, and are characterized by different mechanisms of endocytosis. Hence, structural and functional organization of nasal cavity in mice completely meets the principle of adaptive congruence which confines infectious and toxic impacts of nano-aerosols on cells of olfactory epithelium and brain. rus: Зональная организация обонятельной системы определяется не только особенностями экспрессии генов ольфакторных рецепторов, но и геометрией носового хода, где рецепторы к наиболее мукорастворимым соединениям сосредоточены в области с максимальной скоростью воздушного потока (дорсальная часть), а рецепторы к менее летучим соединениям сосредоточены в вентральной части носа. Увеличение скорости потока в отдельных областях носовой полости позволяет, с одной стороны, ускорить восприятие запаховых стимулов ольфакторными рецепторами, с другой - увеличивает риск воздействия на данную область различных патогенов, содержащихся в воздушном потоке, вследствие большей интенсивности их осаждения. В данном исследовании с помощью марганец-усиленной магнитно-резонансной томографии (МРТ) мы показали, что при интраназальном введении коллоидного раствора наночастиц оксида марганца (НОМ, Mn3O4) в вентральной части ольфакторного эпителия мышей происходит более интенсивный захват нерастворимых частиц, чем в дорсальной. Совместное введение НОМ и специфических блокаторов клеточного транспорта и эндоцитоза показало, что частицы захватываются из носовой полости с помощью эндоцитоза и транспортируются в клетки обонятельной луковицы посредством внутриклеточного транспорта. При этом в дорсальной части ольфакторного эпителия, в отличие от вентральной, основной вклад в захват НОМ вносит клатрин-зависимый тип эндоцитоза. Таким образом установлено, что две функциональные области ольфакторного эпителия мыши, отличающиеся по интенсивности осаждения субмикронных аэрозолей, демонстрируют различную интенсивность захвата нерастворимых частиц из носовой полости и имеют различия в механизмах их эндоцитоза. Следовательно, структурная и функциональная организация носовой полости мыши полностью отвечает принципу адаптивной конгруэнтности, который ограничивает инфекционные и токсические воздействия наноаэрозолей на клетки обонятельного эпителия и головной мозг. |
| Издано: | 2017 |
| Физ. характеристика: | с.15-24 |
| Цитирование: | 1. Мошкин М.П., Петровский Д.В., Акулов А.Е., 2014. Осаждение аэрозолей в носовых ходах норных и наземных грызунов при дыхании в запыленной среде // Журн. общ. биологии. Т. 75. № 2. С. 214-225. 2. Bolon B., Bonnefoi M.S., Roberts K.C., Marshall M.W., Morgan K.T., 1991. Toxic interactions in the rat nose: pollutants from soiled bedding and methyl bromide // Toxicol. Pathol. V. 19. № 4-2. P. 571-579. 3. Boucrot E., Ferreira A.P., Almeida-Souza L., Debard S., Vallis Y., 2015. Endophilin marks and controls a clathrin-independent endocytic pathway // Nature. V. 517. № 7535. P. 460-465. 4. Calderdn-Garciduenas L., Franco-Lira M., Mora-Fiscareno A., Medina-Cortina H., Forres-Jarddn R., Kavanaugh M., 2013. Early Alzheimer's and Parkinson's disease pathology in urban children: friend versus foe responses - it is time to face the evidence // BioMed. Res. Int. DOI: 10.1155/2013/161687. 5. Castel M.N., 1990. Retrograde axonal transport of neurotensin in the dopaminergic nigrostriatal pathway in the rat // Neuroscience. V. 36. № 2. P. 425-430. 6. Chattopadhyay S., Dash S.K., Tripathy S., Das B., Mandal D., Pramanik P., Roy S., 2015. Toxicity of cobalt oxide nanopar-ticles to normal cells; an in vitro and in vivo study // Chem. Biol. Interac. V. 226. P. 58-71. 7. Craven B.A., Paterson E.G., Settles G.S., 2010. The fluid dynamics of canine olfaction: unique nasal airflow patterns as an explanation of macrosmia // J. R. Soc. Interface. V. 7. № 47. P. 933-943. 8. Dando S.J., Mackay-Sim A., Norton R., Currie B.J., John J. A. St., Ekberg J.A.K., Batzloff M., Ulett G.C., Beacham I.R., 2014. Pathogens penetrating the central nervous system: infection pathways and the cellular and molecular mechanisms of invasion // Clinic. Microbiol. Rev. V. 27. № 4. P. 691-726. 9. Dhuria S.V., Hanson L.R., Frey W.H., 2010. Intranasal delivery to the central nervous system: mechanisms and experimental consideration // J. Pharm. Sci. V. 99. № 4. P. 1654-1673. 10. Elder A., Gelein R., Silva V., Feikert T., Opanashuk L., Carter J., Potter R., Maynard A., Ito Y., Finkelstein J., Oberdorster G., 2006. Translocation of inhaled ultrafme manganese oxide particles to the central nervous system // Environ. Health Perspect. V. 114. № 8. P. 1172-1178. 11. Faber H.K., Silverberg R.J., Dong L., 1944. Poliomyelitis in the Cynomolgus Monkey. III. Infection by Inhalation of Droplet Nuclei and the Nasopharyngeal Portal of Entry, with a Note on this Mode of Infection in Rhesus // J. Exp. Med. V. 80. № 1. P. 39-57. 12. Garcia G.J., Kimbell J.S., 2009. Deposition of inhaled nanoparticles in the rat nasal passages: dose to the olfactory region // Inhal. Toxicol. V. 21. № 14. P. 1165-1175. 13. Garcia G.J.M., Schroeter J.D., Kimbell J.S., 2015. Olfactory deposition of inhaled nanoparticles in humans // Inhal. Toxicol. V. 27. № 8. P. 394-403. 14. Hopkins L.E., Patchin E.S., Chiu P.-L., Brandenberger C., Smiley-Jewell S., Pinkerton K.E., 2014. Nose-to-brain transport of aerosolised quantum dots following acute exposure // Nanotoxicol. V. 8. № 8. P. 885-893. 15. Hussain S.M., Javorina A.K., Schrand A.M., Duhar H.M., Ali S.F., Schlager J.J., 2006. The interaction of manganese nanoparticles with PC-12 cells induces dopamine depletion // Toxicol. Sci. V. 92. № 2. P. 456-463. 16. Jiang J., Zhao K., 2010. Airflow and nanoparticle deposition in rat nose under various breathing and sniffing conditions -A computational evaluation of the unsteady and turbulent effect // J. Aeros. Sci. V. 41. № 11. P. 1030-1043. 17. John J. A. St., Ekberg J.A.K., Dando S.J., Meedeniya A.C.B., Horton R.E., Batzloff M., Owen S.J., Holt S., Peak I.R., Ulett G.C., 2014. Burkholderia pseudomallei penetrates the brain via destruction of the olfactory and trigeminal nerves: implications for the pathogenesis of neurological melioidosis // MBio. V. 5. № 2. e00025-00014. 18. Kittler J.T., Delmas P., Jovanovic J.N., Brown D.A., Smart T.G., Moss S.J., 2000. Constitutive endocytosis of GABAA receptors by an association with the adaptin AP2 complex modulates inhibitory synaptic currents in hippocampal neurons // J. Neuroscience. V. 20. № 21. P. 7972-7977. 19. Kobayakawa K., Kobayakawa R., Matsumoto H., Oka Y., Imai T., Ikawa M., Okabe M., Ikeda T., Itohara S., Kikusui T., 2007. Innate versus learned odour processing in the mouse olfactory bulb // Nature. V. 450. № 7169. P. 503-508. 20. Lin Y.J., Koretsky A.P., 1997. Manganese ion enhances Tl-weighted MRI during brain activation: An approach to direct imaging of brain function // Magn. Reson. Med. V. 38. № 3. P. 378-388. 21. Minard K.R., Einstein D.R., Jacob R.E., Kabilan S., Kuprat A.P., Timchalk C.A., Trease L.L., Corley R.A., 2006. Application of magnetic resonance (MR) imaging for the development and validation of computational fluid dynamic (CFD) models of the rat respiratory system // Inhal. Toxicol. V. 18. № 10. P. 787-794. 22. Moore R.H., Sadovnikoff N., Hoffenberg S., Liu S., Wood-ford P., Angelides K., Trial J. A., Carsrud N.D., Dickey B.F., Knoll B.J., 1995. Ligand-stimulated beta 2-adrenergic receptor internalization via the constitutive endocytic pathway into rab5-containing endosomes // J. Cell Science. V. 108. № 9. P. 2983-2991. 23. Mori I., Komatsu T., Takeuchi K., Nakakuki K., Sudo M., Kimura Y., 1995. Parainfluenza virus type 1 infects olfactory neurons and establishes long-term persistence in the nerve tissue // J. Gen. Virol. V. 76. № 5. P. 1251-1254. 24. Mori I., Nishiyama Y., Yokochi T., Kimura Y., 2005. Olfactory transmission of neurotropic viruses // J. Neurovirol. V. 11. № 2. P. 129-137. 25. Mori K., Campenhausen H., von, Yoshihara Y., 2000. Zonal organization of the mammalian main and accessory olfactory systems // Phil. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. V. 355. № 1404. P. 1801-1812. 26. Moshkin M.P., Petrovski D.V., Akulov A.E., 2014. Nasal aerodynamics protects brain and lung from inhaled dust in subterranean diggers, Ellobius talpinus // Proc. R. Soc. Lon. B: Biol. Sci. V. 281. № 1792. P. 919. 27. Munster V.J., Prescott J.B., Bushmaker T., Long D., Rosenke R., Thomas T., Scott D., Fischer E.R., Feldmann H., Wit E., de, 2012. Rapid Nipah virus entry into the central nervous system of hamsters via the olfactory route // Sci. Reports. V. 2. № 2 : 736. doi: 10.1038/srep00736. 28. Oberdarster G., Sharp Z., Atudorei V., Elder A., Gelein R., Kreyling W., Cox C., 2004. Translocation of inhaled ultra-fine particles to the brain // Inhal. Toxicol. V. 16. № 6-7. P. 437-445. 29. Oka Y, Takai Y, Touhara K., 2009. Nasal airflow rate affects the sensitivity and pattern of glomerular odorant responses in the mouse olfactory bulb // J. Neurosci. V. 29. № 39. P. 12070-12078. 30. Ribak C.E., Vaughn J.E., Saito K., 1978. Immunocytochemical localization of glutamic acid decarboxylase in neuronal somata following colchicine inhibition of axonal transport // Brain Res. V. 140. № 2. P. 315-332. 31. Ryzhikov A.B., Ryabchikova E.I., Sergeev A.N., Tkacheva N.V., 1995. Spread of Venezuelan equine encephalitis virus in mice olfactory tract // Arch. Virol. V. 140. P. 2243-2254. 32. Schoenfeld T.A., Cleland T.A., 2006. Anatomical contributions to odorant sampling and representation in rodents: zoning in on sniffing behavior // Chem. Senses. V. 31. № 2. P. 131-144. 33. Scott J.W., Sherrill L., Jiang J., Zhao K., 2014. Tuning to odor solubility and sorption pattern in olfactory epithelial responses // J. Neurosci. V. 34. № 6. P. 2025-2036. 34. Shi H., Kleinstreuer C., Zhang Z., 2008. Dilute suspension flow with nanoparticle deposition in a representative nasal airway model // Phys. Fluids. V. 20. № 013301. P. 1-23. 35. Sloot W.N., Gramsbergen J.B.P., 1994. Axonal transport of manganese and its relevance to selective neurotoxicity in the rat basal ganglia // Brain Research. V. 657. № 1. P. 124-132. 36. Wang L.-H., Rothberg K.G., Anderson R.G., 1993. Mis-assembly of clathrin lattices on endosomes reveals a regulatory switch for coated pit formation // J. Cell Boli. V. 123. № 5. P. 1107-1117. 37. Wang J.X., Liu Y., Jiao F., Lao F., Li W., Gu Y.Q., Li Y.F., Ge C.C., Zhou G.Q., Li B., 2008. Time-dependent translocation and potential impairment on central nervous system by intranasally instilled TiO2 nanoparticles // Toxicology. V. 250. № 1-2. P. 82-90. 38. Wu J., Wang C., Sun J., Xue Y., 2011. Neurotoxicity of silica nanoparticles: Brain localization and dopaminergic neurons damage pathways // ACS Nano. V. 5. № 6. P. 4476-4489. 39. Zhang Z., Kleinstreuer C, 2004. Airflow structures and na-no-particle deposition in a human upper airway model // J. Comput. Phys. V. 198. № 1. P. 178-210. |
