МОЗГ КАК МИШЕНЬ ДЛЯ НАНОЧАСТИЦ

М.П. Мошкин, Л.А. Герлинская, А.В. Ромащенко, Д.В. Петровский, Е.Л. Завьялов, Н.А. Колчанов Институт цитологии и генетики

И.В. Коптюг, А.А. Савелов, Р.З. СагдеевМеждународный 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. КривенцовИнститут ядерной физики им. Г.И. Будкера

Сибирское отделение РАН, Новосибирск

НАНОЧАСТИЦЫ и МОЗГ

Kim et al.,

ПОВРЕЖДЕНИЕТЕРАПИЯ

Mn содержащие аэрозоли

Разрушение дофаминовых

нейронов

Нарушение координации,

болезнь Паркинсона

Частицы церия

Накопление в очаге инсульта

Терапев-тический эффект

Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 11039 –11043

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

ПРОГРАММА НАНОНЕЙРОБИОЛОГИИ «РОЖДЕННАЯ ИНТЕГРАЦИЕЙ»:

Распределение на карте мира лесных пожаров (NASA satellite images) – одного

из источников наноразмерных аэрозолей

МОЗГЛЕГКИЕ

ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ОРГАНЫ-МИШЕНИ ДЛЯ ВДЫХАЕМЫХ НАНОЧАСТИЦ

Об. Луковицы Печень Почки Селезенка Семенники Сердце0

100

200

300

400

500

600

700

Контроль

Таркосил 25

Si,

мкг

/г

***

* - p<0.05, *** - p<0.001 по сравнению с контролем

*

Накопление Si в органах мышей SPF статуса после десяти 3-х часовых экспозиций

наноаэрозолями Таркосила 25

Ингаляционная установка

Обонятельные луковицы (гистологические препараты) Контроль Таркосил 25

Митральный слой

Сетчатый слой

Клубочковый слой

0 50 100 150 200 250 300

КонтрольТаркосил 25*

а

Сферические частицы

Кооперация институтов Сибирского отделения РАН (ИК, ИЦиГ и МТЦ) при получении проникающих в мозг наночастиц гидроксидов Mn

Нитевидные частицы

С.Ю. Троицкий

А.В. Ромащенко

SPF мышь

Т1-взвешенные изображения обонятельных луковиц

НАНО-БИО-ТОМО ЦИКЛ

Сферические частицы Нитевидные частицы

Т1-взвешенные изображения носовых ходов (позитивный контраст)

Одинаковая эффективность МРТ детектирования Mn при введении в носовую

полость наночастиц разной формы

МР

Т с

игн

ал,

у.е.

Mn, мкг/г

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

70 80 90 100 110 120 130 140 150 1600

10

20

30

40

50

60

70

80

МР

Т с

игн

ал,

у.е.

Время, ч

1 2 3 4 5 61.1

1.3

1.5

1.7

1.9160

140

120

100

80

0 6 12 18 24 30

НЧ

Возможные пути прямого перемещения наночастиц (НЧ) из носовой полости в головной мозг

Разрешение МРТ не позволяет дифференцировать пути перемещения MnO*(H2O)x

голова мыши сагитальный срез.(МРТ.)

НЧЗахват и перемещение MnO*(H2O)x в составе биополярных обонятельных нейронов

Перемещение MnO*(H2O)x в клетках базального эпителия или диффузия в межклеточном пространстве

Sucrose

NaN3

CoCl2

Ольфакторный нейрон и ключевые мишени для ингибиторов

Антогонист Ca2+ каналов

Ион зависимый захват НЧ

Сахароза Ингибитор клатрин зависимого эндоцитоза

Эндоцитоз НЧ

Колхицин и NaN3

Ингибиторы везикулярного транспорта

Аксональный транспорт

control CoCl2 Ca+ sucrose colchicine70

80

90

100

110

120

130

140

150MnO*(H2O)x MnCl2

No

Isof

luran

eNH3

Camph

ora

2,5-

DMP

Hepta

none

Female

urin

e No

2,5-

DMP

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

180

Эффекты ингибиторов

MnO*(H2O)x

MnCl2

МР

Т с

игн

ал,

у.е.

МР

Т с

игн

ал,

у.е.

Эффекты хемосигналов

Внешняя модуляция

24 ч

96 ч

1,8 мм 4,5 мм

Схема организации обонятельного тракта

Глубина МРТ среза

БА

В

Движение наночастиц (MnO*(H2O)x) воспроизводит траекторию обонятельного тракта

ДОЛ (AOB)

Половые феромоны «корректируют» траекторию наночастиц

0

4

8

12

16

20

24

∆М

РТ

(Д

ОЛ

-ОО

Л),

у.е

.

MnO*(H2O)x + водаMnO*(H2O)x + моча самки

в состоянии эструса

Контроль MnCl2 MnO*(H2O)x Контроль MnCl2 MnO*(H2O)x 1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

2.6

2.8

Однократно

Многократно

Накопление Mn (МРТ сигнал) в обонятельных луковицах при 5-ти кратном интраназальном введении MnO*(H2O)x и MnCl2

MnCl2 MnO*(H2O)xКонтроль

МР

Т (

X у

.е./

чет

ве

ро

хол

ми

е у.

е.)

Гиппокамп

Обонятельные луковицы

Наночастицы

Реактивные формы

кислорода

Воспаление

Повреждение нервных клеток

Потенциальные негативные эффекты накопления наночастиц в головном мозге

?

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15

18

20

22

24

26

28

30

32

34

Distance from ear, mm

Te

mp

era

ture

, C

1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.0000

20

40

60

80

100

MRT, c.u.∆T

Интенсивность МРТ сигнала в обонятельных луковицах и температура поверхности головы у мышей линии SCID в разные сроки после введения MnO*(H2O)x

24 ч

Накопление (МРТ) и воспаление (∆T)

0 mm

-15 mm

Контроль

Days

MnO*(H2O)x

3 суток 7 суток

Аксиальный срез, Т2-взвешанное изображение

Коронарный срез, Т1-взвешенные изображения

Инокуляция клеток глиомы U87 мышам NODSCID

Контрольная мышь

Коронарный срез, Т1-взвешанное изображение

MnO*(H2O)x

Накопление частиц MnO*(H2O)x клетками глиомы человека

- место инокуляцииМышь с глиомой

Норные социальные грызуны – эксперты по безопасному дыханию пылью

Обыкновенная слепушонка Ellobius talpinus

Домовая мышь, Mus musculus

объекты сравнения

Д, нм Д, нм

Оса

жд

ение

, L

og %

5 10 50 100 200 300 400 5001

1.2

1.4

1.6

1.8

2Mouse (100 Pa)Mouse (150 Pa)Mouse (200 Pa)Mole vole (100 Pa)Mole vole (150 Pa)

max

min

5 10 50 100 200 300 400 500-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4Mouse (100 Pa)Mouse (150 Pa)Mouse (200 Pa)Mole vole (100 Pa)Mole vole (150 Pa)Mole vole (200 Pa)

Оса

жд

ение

, L

og %

Мышь СлепушонкаСлепушонкаМышь

Морфология, аэродинамика и осаждение твердых аэрозолей

Общая поверхность

Обонятельный эпителий

MnO*(H2O)x MnCl21.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8Mouse

Mole vole

МышьМышьA

МышьC

Control MnCl21.22

1.27

1.32

1.37

1.42

1.47

Mouse

Mole vole

Мышь**

Накопление Mn в обонятельных луковицах мышей и слепушат при интраназальной аппликации или ингаляции растворов, содержащих марганец

СлепушонкаСлепушонка

Слепушонка

МР

Т с

игн

ал,

у.е.

МР

Т с

игн

ал,

у.е.

0 1 2 3 4 5 60

1

2

3

4

5

6

Мак

сим

аль

ная

ско

ро

сть

вы

до

ха,

мл

/с

Максимальная скорость вдоха, мл/сВремя, сек

ДО

, мл

100 150 2006

9

12

15

18

21

24Mouse

Mole vole

ΔP, Pa

Оса

жд

ение

, %

(20

0 нм

)

0,0

0,1

0,2

Видовые особенности

внешнего дыхания

Слепушонка

Мышь

Мышь

Слепушонка

Мышь

Слепушонка

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

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ !