Нейротоксические эффекты наночастиц диоксида титана

УДК 616.8-092

DOI: 10.22138/2500-0918-2018-15-1-87-95

Л.А. Шарафутдинова, А.М. Федорова, С.А. Башкатов, К.Н. Синельников, В.В. Валиуллин

Башкирский государственный университет, г. Уфа, Российская Федерация;
Казанский государственный медицинский университет, г. Казань, Российская Федерация

Резюме. Введение. Интенсивное развитие нанотехнологий, повсеместное использование наночастиц (НЧ), многие из которых небезопасны для органов и тканей организма, могут рассматриваться как одна из потенциальных угроз, приводящих к развитию различных заболеваний. Ввиду того, что НЧ способны проходить через гематические барьеры, многие из них могут оказаться опасными для различных нервных структур и могут стать причиной появления разнообразных нарушений функционирования ЦНС. Цель работы: изучение амплитудных и спектральных характеристик электроэнцефалограммы головного мозга и особенностей поведения крыс линии Вистар на фоне интраназального введения НЧ диоксида титана (TiO2). Материал и методы. На фоне интраназального введения НЧ TiO2 осуществляли регистрацию ЭЭГ мозга животных с помощью монополярных игольчатых электродов на 8-канальном электроэнцефалографе «Нейрон-Спектр-1В» и оценивали уровень тревожности крыс с помощью установки «Приподнятый крестообразный лабиринт». Результаты. Изучение амплитудных характеристик ЭЭГ крыс показало, что через 14 дней интраназального введения НЧ TiO2 средняя амплитуда ритмов снижалась как во фронтальной, так и в теменной областях коры (p<0,05). Сравнительный анализ спектров мощности электроэнцефалограммы позволил установить, что к 14-му дню эксперимента отмечаются выраженные изменения биоэлектрической активности нейронов фронтальной коры головного мозга в виде преобладания медленноволновой активности θ- и Δ-диапазона за счет уменьшения относительной мощности α-, β1-, β2-ритмов. Изучение особенностей поведения показало, что интраназальное введение НЧ TiO2 вызывает повышение степени тревожности крыс и уровня исследовательского поведения. Заключение. На основании результатов проведенного нами исследования можно заключить, что интраназальное ведение НЧ TiO2 приводит к изменению амплитудных и спектральных характеристик электроэнцефалограммы головного мозга и поведения крыс, что свидетельствует об их возможном нейротоксическом эффекте.

Ключевые слова: нейротокcичность, наночастицы, диоксид титана, фронтальная кора, теменная кора, электроэнцефалограмма, ритмы мозга

Дата поступления 22.01.2018

Образец цитирования:
Л.А. Шарафутдинова, А.М. Федорова, С.А. Башкатов, К.Н. Синельников, В.В. Валиуллин. Нейротоксические эффекты наночастиц диоксида титана. Вестник уральской медицинской академической науки. 2018, Том 15, №1, с. 87–95, DOI: 10.22138/2500-0918-2018-15-1-87-95

ЛИТЕРАТУРА
1. Mushtaq G., Khan J.A., Joseph E., Kamal M.A. Nanoparticles, Neurotoxicity and Neurodegenerative Diseases. Curr. Drug Metab. 2015; 16 (8): 676-84.
2. Win-Shwe T.T., Fujimaki H. Nanoparticles and neurotoxicity. Int. J. Mol. Sci. 2011; 12(9): 6267–6280. doi:10.3390/ijms12096267
3. Hongbo S., Ruth M., Vincent C., Jinsbun Z. Titanium dioxide nanoparticles: a review of current toxicological data. Particle and Fibre Toxicology. 2013; 10(15): 1-33.
4. Songo B., Liu J., Feng X., Wi L., Shao L. A review on potential neurotoxicity of titanium dioxide nanoparticles. Nanoscale res. Lett. 2015; 10(1): 1042.
5. Shah S.N., Shah Z., Hussain M., Khan M. Hazardous Effects of Titanium Dioxide Nanoparticles in Ecosystem. Bioinorganic Chemistry and Applications. 2017; doi.org/10.1155/2017/4101735.
6. Fröhlich E. Cellular Targets and Mechanisms in the Cytotoxic Action of Non-biodegradable Engineered Nanoparticles. Curr. Drug. Metab. 2013. 14 (9): 976–988.
7. Liu Y., Gao Y., Liu Y., Li B., Chen C., Wu G. Oxidative stress and acute changes in murine brain tissues after nasal instillation of copper particles with different sizes. J. Nanosci. Nanotechnol. 2014 Jun; 14(6): 4534-40.
8. Park E., Yi J., Chung K. Oxidative stress and apoptosis induced by titanium dioxide nanoparticles in cultured BEAS-2B cells. Toxicology Letters. 2008. 180: 222–229.
9. Czajka M., Sawicki K., Sikorska K., Popek S., Kruszewski M., Kapka-Skrzypczak L. Toxicity of titanium dioxide nanoparticles in central nervous system. Toxicol In Vitro. 2015 Aug; 29 (5):1042-52. doi: 10.1016/j.tiv.2015.04.004.
10. Uhlhaas P.J., Haenschel C., Nikolić D., Singer W. The Role of Oscillations and Synchrony in Cortical Networks and Their Putative Relevance for the Pathophysiology of Schizophrenia. Schizophr Bull. 2008 Sep; 34(5):927-43. doi: 10.1093/schbul/sbn062.
11. Selemon L.D., Goldman-Rakic P.S. The reduced neuropil hypothesis: a circuit based model of schizophrenia. Biol. Psychiatry. 1999; 45: 17–25.
12. Lewis D.A., Hashimoto T., Volk D.W. Cortical inhibitory neurons and schizophrenia. Nat. Rev. Neurosci. 2005; 6: 312–324.
13. Javitt D.C., Spencer K.M., Thaker G.K., Winterer G., Hajos M. Neurophysiological biomarkers for drug development in schizophrenia. Nat. Rev. Drug Discov. 2008;7:68–83.
14. Кустубаева А.М. Возрастная динамика ритмов электрической активности мозга. Уровень тревожности и ЭЭГ-индексы. Экспериментальная психология. 2012; 5( 3): 5–20.
15. Amara S., Khemissi W., Mrad I., Rihane N., Ben Slama I., Mir L.E., Jeljeli M., Ben Rhouma K., Abdelmelek H., Sakly M. Effect of TiO2 nanoparticles on emotional behavior and biochemical parameters in adult Wistar rats. Gen Physiol. Biophys. 2013 Jun; 32(2):229-34. doi: 10.4149/gpb_2013015.
16. Yang Z., Liu Z.W., Allaker R. P., Reip P., Oxford J., Ahmad Z., Ren G. A review of nanoparticle functionality and toxicity on the central nervous system. Journal of the Royal So. 2010; 17( 4):411–422.
17. Naik P., Cucullo L. In Vitro Blood–Brain Barrier Models: Current and Perspective Technologies. J. Pharm Sci. 2012 Apr; 101(4): 1337–1354.
18. Disdier C., Chalansonnet M., Gagnaire F., Gaté L., Cosnier F., Devoy J., Saba W.,. Lund A. K., Brun E., Mabondzo A. Brain Inflammation, Blood Brain Barrier dysfunction and Neuronal Synaptophysin Decrease after Inhalation Exposure to Titanium Dioxide Nano-aerosol in Aging Rats. Sci Rep. 2017; 7: 12196. doi:10.1038/s41598-017-12404-5.
19. Trickler W.J., Lantz S.M., Murdock R. C., Schrand A. M., Robinson B. L., Newport G. D., Schlager J. J., Oldenburg S. J., Paule M. G., Slikker W. Jr., Hussain S. M., Ali S. F. Brain microvessel endothelial cells responses to gold nanoparticles: In vitro pro-inflammatory mediators and permeability. Nanotoxicology. 2011; 5(4 ):479–492.
20. Afeseh Ngwa H., Kanthasamy A., Gu Y., Fang N., Anantharam V., Kanthasamy A. G. Manganese nanoparticle activates mitochondrial dependent apoptotic signaling and autophagy in dopaminergic neuronal cells. Toxicol. Appl. Pharmacol. 2011;256(3 ):227–240.
21. Brun E., Carriere M., Mabondzo A. In vitro evidence of dysregulation of blood-brain barrier function after acute and repeated/long-term exposure to TiO(2) nanoparticles. Biomaterials. 2012; 33(3 ):886–896.
22. Yu K.N., Yoon T.J., Minai-Tehrani A. Zinc oxide nanoparticle induced autophagic cell death and mitochondrial damage via reactive oxygen species generation. Toxicol. In Vitro. 2013;27(4):1187–1195.
23. Huerta-Garcia E., Perez-Arizti J.A., Marquez-Ramirez S.G. Titanium dioxide nanoparticles induce strong oxidative stress and mitochondrial damage in glial cells. Free Radical Biol. Med. 2014;73:84–94.
24. Tobe E.H. Mitochondrial dysfunction, oxidative stress, and major depressive disorder. Neuropsychiatr. Dis. Treat. 2013;9:567–573.
25. Brieger K., Schiavone S., Miller F.J., Krause K.H. Reactive oxygen species: from health to disease. Swiss Med. Wkly. 2012; 142: 13659.
26. Zhang L., Bai R., Liu Y., Meng L., Li B., Wang L., Xu L., Le Guyader L., Chen C. The dose-dependent toxicological effects and potential perturbation on the neurotransmitter secretion in brain following intranasal instillation of copper nanoparticles. Nanotoxicology. 2012;6(5):562–575.
27. Ressler K.J., Nemeroff C.B. Role of serotonergic and noradrenergic systems in the pathophysiology of depression and anxiety disorders. Depress Anxiety. 2000; 12(Suppl 1):2–19
28. Tamminga C.A. The neurobiological of cognition in schizophrenia. J. Clin. Psychiatry 2006; 67:9-13.
29. Cui Y., Chen X., Zhou Z., Lei Y., Ma M., Cao R., Sun T., Xu J., Huo M., Cao R., Wen C., Che Y. Prenatal exposure to nanoparticulate titanium dioxide enhances depressive-like behaviors in adult rats. Chemosphere. 2014; 96:99–104.
30. Шарафутдинова Л.А., Хисматуллина З.Р., Даминов М.Р., Валиуллин В.В. Исследование эмбриотоксического действия наночастиц диоксида титана на крыс Морфологические ведомости. 2017; 25(3): 37-42.

Авторы
Шарафутдинова Люция Ахтямовна
к.б.н., доцент кафедры физиологии и общей биологии биологического факультета
sharafla@yandex.ru

Федорова Альбина Мубараковна
к.б.н., доцент кафедры физиологии и общей биологии биологического факультета
marmishka-06@mail.ru

Синельников Кирилл Николаевич
Магистрант биологического факультета
sharafla@yandex.ru

Башкатов Сергей Александрович
д.б.н., профессор, декан биологического факультета
s_bashkatov@list.ru

Башкирский государственный университет
Российская Федерация, 450076, Приволжский федеральный округ, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Заки Валиди, дом 32

Валиуллин Виктор Владимирович
Казанский государственный медицинский университет
Доктор биологических наук, профессор кафедры гистологии
Российская Федерация, 420012, Приволжский федеральный округ, Республика Татарстан, г. Казань, ул. Бутлерова, 49 
valvv@kcn.ru