МОЗГ КАК МИШЕНЬ ДЛЯ НАНОЧАСТИЦ М.П. Мошкин, Л.А. Герлинская, А.В. Ромащенко, Д.В. Петровский, Н.А. Колчанов Институт цитологии и генетики Е.Л. Завьялов, И.В. Коптюг, А.А. Савелов, Р.З. Сагдеев Международный томографический центр С.Ю. Троицкий, В.И. Бухтияров Институт катализа им. Г.М. Борескова М.И. Мучная В.Л. Ганимедов, А.С. Садовский, В.М. Фомин Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича В.В. Кривенцов Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирское отделение РАН, Новосибирск НАНОЧАСТИЦЫ и МОЗГ ПОВРЕЖДЕНИЕ ТЕРАПИЯ Частицы церия Mn содержащие аэрозоли Разрушение дофаминовых нейронов Накопление в очаге инсульта Терапевтический эффект Нарушение координации, болезнь Паркинсона Kim et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 11039 –11043 ПРОГРАММА НАНОНЕЙРОБИОЛОГИИ «РОЖДЕННАЯ ИНТЕГРАЦИЕЙ»: пути поступления в мозг наночастиц и механизмы их накопления и выведения; механизмы взаимодействия нанообъектов со структурами головного мозга, включая каталитические и иммуногенные свойства нанобиокомплексов; оценка потенциальных угроз здоровью при накоплении наночастиц в головном мозге; применение наночастиц для диагностики и направленного воздействия на структуры головного мозга; сравнительное изучение видов эволюционировавших в среде с разным содержанием субмикронных аэрозолей ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ОРГАНЫ-МИШЕНИ ДЛЯ ВДЫХАЕМЫХ НАНОЧАСТИЦ Распределение на карте мира лесных пожаров (NASA satellite images) – одного из источников наноразмерных аэрозолей МОЗГ ЛЕГКИЕ Накопление Si в органах мышей SPF статуса после десяти 3-х часовых экспозиций наноаэрозолями Таркосила 25 700 600 *** Обонятельные луковицы (гистологические препараты) Контроль Таркосил 25 Контроль Клубочковый слой Таркосил 25 Сетчатый слой 500 Митральный слой * 0 Si, мкг/г 400 50 Контроль Таркосил 25 100 150 200 250 300 Ингаляционная установка 300 200 * 100 0 Об. Луковицы Печень Почки Селезенка * - p<0.05, *** - p<0.001 по сравнению с контролем Семенники Сердце Кооперация институтов Сибирского отделения РАН (ИК, ИЦиГ и МТЦ) при получении проникающих в мозг наночастиц гидроксидов Mn С.Ю. Троицкий Сферические частицы НАНО-БИО-ТОМО ЦИКЛ Т1-взвешенные изображения обонятельных луковиц Нитевидные частицы А.В. Ромащенко SPF мышь а Одинаковая эффективность МРТ детектирования Mn при введении в носовую полость наночастиц разной формы Т1-взвешенные изображения носовых ходов (позитивный контраст) Сферические частицы Нитевидные частицы Перемещение наночастиц MnO*(H2O)x из носовой полости в головной мозг: А. Сагитальный срез головы мыши (Т1-взвешенное изображение); Б. Зависимость МРТ сигнала от концентрации Mn в обонятельных луковицах; В. Динамика поступления MnO*(H2O)x 1.9 160 80 70 1.7 140 МРТ сигнал, у.е. МРТ сигнал, у.е. 60 50 40 30 20 1.5 120 1.3 100 10 0 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 80 1.1 01 Mn, мкг/г 26 3 12 4 18 Время, ч 5 24 630 голова мыши сагитальный срез.(МРТ.) Возможные пути прямого перемещения наночастиц (НЧ) из носовой полости в головной мозг Разрешение МРТ не позволяет дифференцировать пути перемещения MnO*(H2O)x Захват и перемещение MnO*(H2O)x в составе биополярных обонятельных нейронов НЧ Перемещение MnO*(H2O)x в клетках базального эпителия или диффузия в межклеточном пространстве НЧ Ольфакторный нейрон и ключевые мишени для ингибиторов CoCl2 Антогонист Ca2+ каналов Ион зависимый захват НЧ Сахароза Ингибитор клатрин зависимого эндоцитоза Эндоцитоз НЧ Колхицин и NaN3 Ингибиторы везикулярного транспорта Аксональный транспорт NaN3 Sucrose Эффекты ингибиторов MnO*(H2O)x 140 МРТ сигнал, у.е. Внешняя модуляция 150 MnCl2 130 120 110 100 90 80 70 control CoCl2 Ca+ sucrose colchicine MnO*(H2O)x 180 170 Эффекты хемосигналов МРТ сигнал, у.е. 160 150 140 130 120 110 100 90 80 MnCl2 Движение наночастиц (MnO*(H2O)x) воспроизводит траекторию обонятельного тракта 1,8 мм 4,5 мм Глубина МРТ среза А Б 24 ч В 96 ч Схема организации обонятельного тракта Половые феромоны «корректируют» траекторию наночастиц ДОЛ (AOB) ∆МРТ (ДОЛ-ООЛ), у.е. 24 20 16 12 8 4 0 MnO*(H2O)x + вода MnO*(H2O)x + моча самки в состоянии эструса МРТ (X у.е./четверохолмие у.е.) Накопление Mn (МРТ сигнал) в обонятельных луковицах при 5ти кратном интраназальном введении MnO*(H2O)x и MnCl2 Контроль MnCl2 MnO*(H2O)x 2.8 2.6 2.4 2.2 Однократно 2.0 Многократно 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 Контроль MnCl2 MnO*(H2O)x Контроль MnCl2 MnO*(H2O)x Потенциальные негативные эффекты накопления наночастиц в головном мозге Реактивные формы кислорода ? Наночастицы Воспаление Повреждение нервных клеток Интенсивность МРТ сигнала в обонятельных луковицах и температура поверхности головы у мышей линии SCID в разные сроки после введения MnO*(H2O)x 24 ч 3 суток 7 суток 34 32 30 28 26 24 22 20 18 Temperature, C MnO*(H2O)x Контроль -30 -15 mm -20 -10 0 10 Distance from ear, mm 20 Накопление (МРТ) и воспаление (∆T) 100 80 MRT, c.u. 60 ∆T 40 20 0 mm 0 1 2 3 4 5 6 7 Days Накопление частиц MnO*(H2O)x клетками глиомы человека Контрольная мышь Инокуляция клеток глиомы U87 мышам NODSCID MnO*(H2O)x Коронарный срез, Т1взвешанное изображение Аксиальный срез, Т2взвешанное изображение Мышь с глиомой - место инокуляции Коронарный срез, Т1-взвешенные изображения Норные социальные грызуны – эксперты по безопасному дыханию пылью Обыкновенная слепушонка Ellobius talpinus объекты сравнения Домовая мышь, Mus musculus Морфология, аэродинамика и осаждение твердых Слепушонка Мышь аэрозолей Мышь Слепушонка max min Mouse (100 Pa) Mouse (150 Pa) Mouse (200 Pa) Mole vole (100 Pa) Mole vole (150 Pa) Mole vole (200 Pa) 1.8 1.6 1.4 1.2 1 5 10 50 100 200 Д, нм 300 400 500 Обонятельный эпителий 1.2 Осаждение, Log % Осаждение, Log % 1.4 Общая поверхность 2 Mouse (100 Pa) Mouse (150 Pa) Mouse (200 Pa) Mole vole (100 Pa) Mole vole (150 Pa) Mole vole (200 Pa) 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 5 10 50 100 200 Д, нм 300 400 500 Накопление Mn в обонятельных луковицах мышей и слепушат при интраназальной аппликации или ингаляции растворов, содержащих марганец 1.9 1.47 A Мышь Мышь Mouse Мышь Mouse Мышь Mole vole Слепушонка 1.42 ** Mole vole Слепушонка 1.7 МРТ сигнал, у.е. МРТ сигнал, у.е. 1.8 C 1.6 1.5 1.4 1.37 1.32 1.27 1.3 Слепушонка 1.2 MnO*(H2O)x MnCl2 1.22 Control MnCl2 Осаждение , % (200 нм) Видовые особенности внешнего дыхания 24 Mouse Мышь 21 Mole vole Слепушонка 18 15 12 9 6 100 150 200 ΔP, Pa Максимальная скорость выдоха, мл/с 6 ДО, мл Слепушонка 0,2 0,1 0,0 Мышь Время, сек Слепушонка 5 4 3 2 Мышь 1 0 0 1 2 3 4 5 Максимальная скорость вдоха, мл/с 6 Три подхода к профилактике болезни Паркинсона при работе в среде, содержащей наноразмерные аэрозолей Русский метод одолжить носовые зажимы у синхронисток Голландский вдыхание носом сахарной пудры Китайский дыхательная гимнастика