| Инд. авторы: | Ромащенко А.В., Шарапова М.Б., Морозова К.Н., Киселева Е.В., Купер К.Э., Петровский Д.В. |
| Заглавие: | Роль ольфакторного транспорта в проникновении наночастиц оксида марганца из кровеносного русла в мозг |
| Библ. ссылка: | Ромащенко А.В., Шарапова М.Б., Морозова К.Н., Киселева Е.В., Купер К.Э., Петровский Д.В. Роль ольфакторного транспорта в проникновении наночастиц оксида марганца из кровеносного русла в мозг // Вавиловский журнал генетики и селекции. - 2019. - Т.23. - № 4. - С.482-488. - ISSN 2500-0462. - EISSN 2500-3259. |
| Внешние системы: | DOI: 10.18699/VJ19.517; РИНЦ: 38218792; SCOPUS: 2-s2.0-85068984248; WoS: 000490997300014; |
| Реферат: | rus: Возможность поступления из носовой полости в головной мозг наночастиц (НЧ) различной природы не вызывает сомнения. Как уже было показано ранее, накопление НЧ в центральной нервной системе (ЦНС) может спровоцировать целый ряд неврологических заболеваний, поэтому понимание механизмов данного процесса представляет интерес как с научной, так и с практической точек зрения. Предполагается, что из крови НЧ могут проникнуть в ЦНС, исключительно преодолев гематоэнцефалический барьер (ГЭБ). Попав с поверхности легких в кровеносное русло, НЧ могут накапливаться в различных слизистых оболочках, в том числе и в слизистой носовой полости. Таким образом, нельзя исключать возможность транспорта НЧ из кровотока в мозг за счет их захвата окончаниями обонятельных нейронов. Для проверки этой гипотезы мы использовали парамагнитные НЧ оксида марганца (Мп304-НЧ), паттерны накопления которых в структурах мозга мыши регистрировали с помощью Т1-взвешенной магнитно-резонансной томографии. В настоящем исследовании была проведена оценка влияния интраназальной аппликации ингибиторов эндоцитоза и аксонального транспорта на накопление Мn304-НЧ в структурах ЦНС при их введении в носовую полость или в кровоток. Сравнительный анализ полученных результатов показал, что перенос Мn304-НЧ из носовой полости в мозг эффективнее их проникновения в ЦНС из кровеносного русла, которое может осуществляться как за счет локального преодоления ГЭБ, например при накоплении Мn304-НЧ в зубчатой извилине гиппокампа, так и через захват и транспорт НЧ из крови клетками ольфакторного эпителия. При этом эксперименты с введением хлорпромазина, специфического ингибитора клатрин-зависимого эндоцитоза, и метил-β-циклодекстрина, вещества, разрушающего липидные рафты, участвующие в захвате веществ клетками эндотелия, продемонстрировали различия в механизмах захвата НЧ из носовой полости и кровеносного русла. В результате проведенного исследования нам удалось показать значимый вклад аксонального транспорта в поступление наночастиц в головной мозг как из носовой полости, так и из сосудистого русла. Это объясняет накопление в мозге субмикронных частиц различной природы (нейротропные вирусы, нерастворимые ксенобиотики и др.), которые не способны преодолевать ГЭБ. Полученные результаты будут полезны как для понимания патогенеза различных нейродегенеративных заболеваний, так и для исследования побочных эффектов терапевтических препаратов, вводимых внутривенно. eng: There is no doubt that various nanoparticles (NPs) can enter the brain from the nasal cavity. It is assumed that NPs can penetrate from blood into the central nervous system (CNS) only by breaking the blood-brain barrier (BBB). The accumulation of NPs in CNS can provoke many neurological diseases; therefore, the understanding of its mechanisms is of both academic and practical interest. Although hitting from the surface of the lungs into the bloodstream, NPs can accumulate in various mucous membranes, including the nasal mucosa. Thus, we cannot rule out the ability of NPs to be transported from the bloodstream to the brain through the olfactory uptake. To test this hypothesis, we used paramagnetic NPs of manganese oxide (Mn3O4-NPs), whose accumulation patterns in the mouse brain were recorded using T1-weighted magnetic resonance imaging. The effect of intranasal application of endocytosis and axonal transport inhibitors on the brain accumulation patterns of intranasally or intravenously injected Mn3O4-NPs was evaluated. A comparative analysis of the results showed that the transport of Mn3O4-NPs from the nasal cavity to the brain is more efficient than their local permeation through BBB into CNS from the bloodstream, for example with the accumulation of Mn3O4-NPs in the dentate gyrus of the hippocampus, and through the capture and transport of NPs from the blood by olfactory epithelium cells. Also, experiments with the administration of chlorpromazine, a specific inhibitor of clathrin-dependent endocytosis, and methyl-ß-cyclodextrin, inhibitor of the lipid rafts involved in the capture of substances by endothelium cells, showed differences in the mechanisms of NP uptake from the nasal cavity and from the bloodstream. In this study, we show a significant contribution of axonal transport to NP accumulation patterns in the brain, both from the nasal cavity and from the vascular bed. This explains the accumulation of different sorts of submicron particles (neurotropic viruses, insoluble xenobiotics, etc.), unable to pass BBB, in the brain. The results will add to the understanding of the pathogenesis of various neurodegenerative diseases and help studying the side effects of therapeutics administered intravenously. |
| Ключевые слова: | magnetic resonance imaging; Olfactory transport; nanoparticles; внутривенное введение; магнитно-резонансная томография; ольфакторный транспорт; наночастицы; intravenous injection; |
| Издано: | 2019 |
| Физ. характеристика: | с.482-488 |
| Цитирование: | 1. Ромащенко А.В., Петровский Д.В., Шарапова М.Б., Мошкин Ю.М., Купер К.Э., Морозова К.Н., Киселева Е.В., Мошкин М.П. Эффективность ольфакторного транспорта аморфных и кристаллических наночастиц оксидов марганца. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2017,21(7):848-855. DOI 10.18699/VJ17.305 2. Andras I.E., Eum S.Y., Toborek M. Lipid rafts and functional caveolae regulate HIV-induced amyloid beta accumulation in brain endothelial cells. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2012,421(2):177-183. DOI 10.1016/j.bbrc.2012.03.128. 3. Astic L., Saucier D., Coulon P., Lafay F., Flamand A. The CVS strain of rabies virus as transneuronal tracer in the olfactory system of mice. Brain Res. 1993,619(1):146-156. DOI 10.1016/0006-8993(93)91606-S. 4. Boucrot E., Ferreira A.P., Almeida-Souza L., Debard S., Vallis Y., Howard G., Bertot L., Sauvonnet N., McMahon H.T. Endophilin marks and controls a clathrin-independent endocytic pathway. Nature. 2015,517(7535):460-465. DOI 10.1038/nature14067. 5. Brook R.D., Bard R.L., Burnett R.T., Shin H.H., Vette A., Croghan C., Phillips M., Rodes C., Thornburg J., Williams R. Differences in blood pressure and vascular responses associated with ambient fine particulate matter exposures measured at the personal versus community level. J. Occup. Environ. Med. 2010,68:224-230. DOI 10.1136/oem.2009.053991. 6. Brownell W.E., Jacob S., Hakizimana P., Ulfendahl M., Fridberger A. Membrane cholesterol modulates cochlear electromechanics. Pflügers Arch. 2011,461(6):677-686. DOI 10.1007/s00424-011-0942-5. 7. Burd G.D. Morphological study of the effects of intranasal zinc sulfate irrigation on the mouse olfactory epithelium and olfactory bulb. Microsc. Res. Tech. 1993,24(3):195-213. DOI 10.1002/jemt.1070240302. 8. Castel M.N., Malgouris C., Blanchard J.C., Laduron P.M. Retrograde axonal transport of neurotensin in the dopaminergic nigrostriatal pathway in the rat. Neuroscience. 1990,36(2):425-430. DOI 10.1016/ 0306-4522(90)90438-A. 9. Chen H., Kwong J.C., Copes R., Tu K., Villeneuve P.J., Van Donkelaar A., Hystad P., Martin R.V., Murray B.J., Wilton A.S. Living near major roads and the incidence of dementia, Parkinson’s disease, and multiple sclerosis: a population-based cohort study. Lancet. 2017, 389(10070):718-726. DOI 10.1016/S0140-6736(16)32399-6. 10. Chen Z., Meng H., Xing G., Yuan H., Zhao F., Liu R., Chang X., Gao X., Wang T., Jia G., Ye C., Chai Z., Zhao Y. Age-related differences in pulmonary and cardiovascular responses to SiO2 nanoparticle inhalation: nanotoxicity has susceptible population. Environ. Sci. Technol. 2008,42(23):8985-8992. DOI 10.1021/es800975u. 11. Dhuria S.V., Hanson L.R., Frey W.H. Intranasal delivery to the central nervous system: mechanisms and experimental considerations. J. Pharm. Sci. 2010,99(4):1654-1673. DOI 10.1002/jps.21924. 12. Donaldson K., Brown D., Clouter A., Duffin R., MacNee W., Renwick L., Tran L., Stone V. The pulmonary toxicology of ultrafine particles. J. Aerosol Med. 2002,15(2):213-220. DOI 10.1089/089426802320282338. 13. Hopkins L.E., Patchin E.S., Chiu P.L., Brandenberger C., Smiley-Jewell S., Pinkerton K.E. Nose-to-brain transport of aerosolised quantum dots following acute exposure. Nanotoxicology. 2014, 8(8):885-893. DOI 10.3109/17435390.2013.842267. 14. John J.A.S., Ekberg J.A., Dando S.J., Meedeniya A.C., Horton R.E., Batzloff M., Owen S.J., Holt S., Peak I.R., Mackay-Sim A. Burkholderia pseudomallei penetrates the brain via destruction of the olfactory and trigeminal nerves: implications for the pathogenesis of neurological melioidosis. MBio. 2014,5(2):e00025-14. DOI 10.1128/mBio.00025-14. 15. Kampfrath T., Maiseyeu A., Ying Z., Shah Z., Deiuliis J.A., Xu X., Kherada N., Brook R.D., Reddy K.M., Parthasarathy S., Chen L.C., Moffatt-Bruce S., Sun Q., Morawietz H., Rajagopalan S. Chronic fine particulate matter exposure induces systemic vascular dysfunction via NADPH oxidase and TLR4 pathways. Circ. Res. 2011, 108(6):716-726. DOI 10.1161/CIRCRESAHA.110.237560. 16. Kennedy P.G.E., Chaudhuri A. Herpes simplex encephalitis. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. 2002,73:237-238. DOI 10.1136/jnnp.73. 3.237. 17. Khlebtsov N., Dykman L. Biodistribution and toxicity of engineered gold nanoparticles: a review of in vitro and in vivo studies. Chem. Soc. Rev. 2011,40(3):1647-1671. DOI 10.1039/C0CS00018C. 18. Kreyling W.G. Discovery of unique and ENM-specific pathophysiologic pathways: Comparison of the translocation of inhaled iridium nanoparticles from nasal epithelium versus alveolar epithelium towards the brain of rats. Toxicol. Appl. Pharmocol. 2016,299:41-46. DOI 10.1016/j.taap.2016.02.004. 19. Lin Y.J., Koretsky A.P. Manganese ion enhances T1-weighted MRI during brain activation: An approach to direct imaging of brain function. Magn. Reson. Med. 1997,38(3):378-388. DOI 10.1002/mrm.1910380305. 20. Mistry A., Glud S.Z., Kjems J., Randel J., Howard K.A., Stolnik S., Illum L. Effect of physicochemical properties on intranasal nanoparticle transit into murine olfactory epithelium. J. Drug Target. 2009, 17(7):543-552. DOI 10.1080/1061186090305547. 21. Mori I., Komatsu T., Takeuchi K., Nakakuki K., Sudo M., Kimura Y. Parainfluenza virus type 1 infects olfactory neurons and establishes long-term persistence in the nerve tissue. J. Gen. Virol. 1995,76(5): 1251-1254. DOI 10.1099/0022-1317-76-5-1251. 22. Mori I., Nishiyama Y., Yokochi T., Kimura Y. Virus-induced neuronal apoptosis as pathological and protective responses of the host. Rev. Med. Virol. 2004,14(4):209-216. DOI 10.1002/rmv.426. 23. Mori I., Nishiyama Y., Yokochi T., Kimura Y. Olfactory transmission of neurotropic viruses. J. Neurovirol. 2005,11(2):129-137. DOI 10.1080/13550280590922793. 24. Moshkin M.P., Petrovski D.V., Akulov A.E., Romashchenko A.V., Gerlinskaya L.A., Ganimedov V.L., Muchnaya M.I., Sadovsky A.S., Koptyug I.V., Savelov A.A., Troitsky S.Y. Nasal aerodynamics protects brain and lung from inhaled dust in subterranean diggers, Ellobius talpinus. Proc. R. Soc. B: Biol. Sci. 2014,281(1792):919. DOI 10.1098/rspb.2014.0919. 25. Munster V.J., Prescott J.B., Bushmaker T., Long D., Rosenke R., Thomas T., Scott D., Fischer E.R., Feldmann H., De Wit E. Rapid Nipah virus entry into the central nervous system of hamsters via the olfactory route. Sci. Rep. 2012,2:736. DOI 10.1038/srep00736. 26. Ribak C.E., Vaughn J.E., Saito K. Immunocytochemical localization of glutamic acid decarboxylase in neuronal somata following colchicine inhibition of axonal transport. Brain Res. 1978,140(2):315-332. DOI 10.1016/0006-8993(78)90463-8. 27. Sauder C., Staeheli P. Rat model of Borna disease virus transmission: epidemiological implications. J. Virol. 2003,77(23):12886-12890. DOI 10.1128/JVI.77.23.12886-12890.2003. 28. Tanaka H., Park C.H., Ninomiya A., Ozaki H., Takada A., Umemura T., Kida H. Neurotropism of the 1997 Hong Kong H5N1 influenza virus in mice. Vet. Microbiol. 2003,95(1):1-13. DOI 10.1016/S0378-1135(03)00132-9. 29. Tranfield E.M., Walker D.C. Understanding human illness and death following exposure to particulate matter air pollution. Environmental Health-Emerging Issues and Practice. IntechOpen, 2012. DOI 10.5772/30264. 30. Wang L.H., Rothberg K.G., Anderson R.G. Misassembly of clathrin lattices on endosomes reveals a regulatory switch for coated pit formation. J. Cell Biol. 1993,123(5):1107-1117. DOI 10.1083/jcb.123.5.1107. 31. Zanusso G., Ferrari S., Cardone F., Zampieri P., Gelati M., Fiorini M., Farinazzo A., Gardiman M., Cavallaro T., Bentivoglio M., Righetti P.G. Detection of pathologic prion protein in the olfactory epithelium in sporadic Creutzfeldt-Jakob disease. N. Engl. J. Med. 2003, 348(8):711-719. DOI 10.1056/NEJMoa022043. |
