Наночастицы и наноматериалы — неизбежные современные токсичные агенты. Обзор. Часть 3. Влияние наночастиц на мозг и поведение. Выводы и нерешённые проблемы
- Авторы: Ивлиева А.Л.1, Зиньковская И.2, Петрицкая Е.Н.1, Рогаткин Д.А.1
-
Учреждения:
- Московский областной научно-исследовательский клинический институт им. М.Ф. Владимирского
- Объединённый институт ядерных исследований
- Выпуск: Том 29, № 4 (2022)
- Страницы: 223-240
- Раздел: ОБЗОРЫ
- URL: https://journals.rcsi.science/1728-0869/article/view/100163
- DOI: https://doi.org/10.17816/humeco100163
- ID: 100163
Цитировать
Полный текст
Аннотация
В заключительной части обзора рассматриваются существующие методики и результаты исследования влияния наночастиц (НЧ) на мозг и поведение. Описаны типы поведенческих тестов, применяемых для оценки изменений в поведении получавших НЧ животных. Рассмотрены накопленные в литературе данные о негативном влиянии НЧ на мозг животных, контактировавших с НЧ во взрослом возрасте. Приведены описанные в работах признаки развития в мозге окислительного стресса, воспаления и отёчности, нарушения структуры клеток и возрастания проницаемости гематоэнцефалического барьера. Охарактеризованы обнаруженные при различных способах и длительности контакта животных с НЧ нарушения пространственной памяти, рабочей и долговременной референтной памяти, снижение склонности к социальным взаимодействиям, угнетение исследовательского поведения, проявления депрессии и тревожности, нарушения двигательной координации. Также описаны накопленные сведения о негативных последствиях пренатального и раннего постнатального (например, во время лактации) контакта с НЧ для повзрослевшего потомства. В мозге молодых животных обнаружены угнетение пролиферации клеток, увеличение количества претерпевающих апоптоз клеток, отёки и дегенерация сосудов, снижение экспрессии генов, связанных с нейрогенезом, и многочисленные признаки развития окислительного стресса. Рассмотрены нарушения поведения у взрослых животных после контакта с НЧ в раннем онтогенезе, такие как проявления депрессивного поведения или повышенная тревожность, угнетение пространственной и кратковременной памяти. Приведены также противоречивые результаты исследований после контакта с НЧ как во взрослом возрасте, так и в раннем онтогенезе. В заключении освещены нерешённые вопросы и даны общие выводы по обзору.
Ключевые слова
Полный текст
Открыть статью на сайте журналаОб авторах
Александра Леонидовна Ивлиева
Московский областной научно-исследовательский клинический институт им. М.Ф. Владимирского
Email: ivlieva@medphyslab.com
SPIN-код: 5555-1343
младший научный сотрудник
Россия, 129110, Москва, ул. Щепкина, 61/2Инга Зиньковская
Объединённый институт ядерных исследований
Email: zinikovskaia@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0820-887X
SPIN-код: 6814-1720
д.х.н.
Россия, ДубнаЕлена Николаевна Петрицкая
Московский областной научно-исследовательский клинический институт им. М.Ф. Владимирского
Email: medphys@monikiweb.ru
ORCID iD: 0000-0002-3836-0103
SPIN-код: 2641-3111
к.б.н.
Россия, 129110, Москва, ул. Щепкина, 61/2Дмитрий Алексеевич Рогаткин
Московский областной научно-исследовательский клинический институт им. М.Ф. Владимирского
Автор, ответственный за переписку.
Email: d.rogatkin@monikiweb.ru
ORCID iD: 0000-0002-7755-308X
SPIN-код: 9130-8111
http://www.medphyslab.ru
д.техн.н., доцент
Россия, 129110, Москва, ул. Щепкина, 61/2Список литературы
- Приказ Министерства здравоохранения РФ от 30 апреля 2013 г. № 281 «Об утверждении научных платформ медицинской науки». Режим доступа: https://www.garant.ru/products/ipo/prime/doc/70278972/ Дата обращения: 16.11.2020.
- OECD test guidelines for chemicals. Available from: https://www.oecd.org/env/ehs/testing/oecdguidelinesforthetestingofchemicals.htm
- Ивлиева А.Л., Петрицкая Е.Н., Лопатина М.В., Рогаткин Д.А., Зиньковская И. Оценка когнитивных способностей мышей, подвергнутых воздействию наночастиц серебра во время пренатального развития и лактации // Когнитивное моделирование: Труды Седьмого Международного форума по когнитивному моделированию. В 3 частях: Труды Творческой школы, Труды XХ Международной конференции, Труды VII Международной конференции, Ретимно-Греция (о. Крит), 05–15 сентября 2019 года / Научные редакторы С.И. Масалова, Н.К. Рябцева, В.Д. Соловьев. Ретимно-Греция (о. Крит) : Общество с ограниченной ответственностью «Фонд науки и образования», 2019. С. 276–282.
- Aijie Ch., Huimin L., Jia L., et al. Central neurotoxicity induced by the instillation of ZnO and TiO2 nanoparticles through the taste nerve pathway // Nanomedicine (Lond.). 2017. Vol. 12, N 20, P. 2453–2470. doi: 10.2217/nnm-2017-0171
- Davenport L.L., Hsieh H., Eppert B.L., et al. Systemic and behavioral effects of intranasal administration of silver nanoparticles // Neurotoxicol Teratol. 2015. Vol. 51, P. 68–76. doi: 10.1016/j.ntt.2015.08.006
- Ghaderi Sh., Tabatabaei S.R.F., Varzi H.N., Rashno M. Induced adverse effects of prenatal exposure to silver nanoparticles on neurobehavioral development of offspring of mice // J Toxicol Sci. 2015. Vol. 40, N 2, P. 263–275. doi: 10.2131/jts.40.263
- Greish K., Alqahtani A.A., Alotaibi A.F., et al. The effect of silver nanoparticles on learning, memory and social interaction in BALB/C mice // Int J Environ Res Public Health. 2019. Vol. 16, N 1. P. 148. doi: 10.3390/ijerph16010148
- Ivlieva A.L., Demin V.A., Petritskaya E.N., Antsiferova A.A. Preliminary results on the impact of nanoparticles on brain functioning // Materials today: proceedings. 2017. Vol. 4, N 7. P. 6901–6907. doi: 10.1016/j.matpr.2017.07.019
- Liu P., Huang Zh., Gu N. Exposure to silver nanoparticles does not affect cognitive outcome or hippocampal neurogenesis in adult mice // Ecotoxicol Environ Saf. 2013. Vol. 87. P. 124–130. doi: 10.1016/j.ecoenv.2012.10.014
- Mohammadipour A., Fazel A., Haghir H., et al. Maternal exposure to titanium dioxide nanoparticles during pregnancy; impaired memory and decreased hippocampal cell proliferation in rat offspring // Environ Toxicol Pharmacol. 2014. Vol. 37, N 2. P. 617–625. doi: 10.1016/j.etap.2014.01.014
- Ивлиева А.Л., Петрицкая Е.Н., Рогаткин Д.А., Демин В.А. Методические особенности применения водного лабиринта Морриса для оценки когнитивных функций у животных // Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 2016. Т. 102, № 1. С. 3–17.
- Hritcu L., Stefan M., Ursu L., et al. Exposure to silver nanoparticles induces oxidative stress and memory deficit in laboratory rats // Open Life Sciences. 2011. Vol. 6, N 4. P. 497–509. doi: 10.2478/s11535-011-0022-z
- Hu R., Zheng L., Zhang T., et al. Molecular mechanism of hippocampal apoptosis of mice following exposure to titanium dioxide nanoparticles // J Hazard Mater. 2011. Vol. 191, N 1-3. P. 32–40. doi: 10.1016/j.jhazmat.2011.04.027
- Горина Я.В., Лопатина О.Л., Комлева Ю.К., и др. Восьмирукавный радиальный лабиринт как инструмент для оценки пространственного обучения и памяти у мышей // Сибирское медицинское обозрение. 2016. № 5 (101). С. 46–52.
- Cui Y., Chen X., Zhou Z., et al. Prenatal exposure to nanoparticulate titanium dioxide enhances depressive-like behaviors in adult rats // Chemosphere. 2014. Vol. 96. P. 99–104. doi: 10.1016/j.chemosphere.2013.07.051
- Dabrowska-Bouta B., Zieba M., Orzelska-Gorka J., et al. Influence of a low dose of silver nanoparticles on cerebral myelin and behavior of adult rats // Toxicology. 2016. Vol. 363–364, P. 29–36. doi: 10.1016/j.tox.2016.07.007
- Lueptow L.M. Novel object recognition test for the investigation of learning and memory in mice // J Vis Exp. 2017. N 126. P. e55718. doi: 10.3791/55718
- Antsiferova A., Kopaeva M., Kashkarov P. Effects of prolonged silver nanoparticle exposure on the contextual cognition and behavior of mammals // Materials (Basel). 2018. Vol. 11, N 4. P. 558. doi: 10.3390/ma11040558
- Ben Younes N.R., Amara S., Mrad I., et al. Subacute toxicity of titanium dioxide (TiO2) nanoparticles in male rats: emotional behavior and pathophysiological examination // Environ Sci Pollut Res Int. 2015. Vol. 22, N 11. P. 8728–8737. doi: 10.1007/s11356-014-4002-5
- Dănilă O.-O., Berghian A.S., Dionisie V., et al. The effects of silver nanoparticles on behavior, apoptosis and nitro-oxidative stress in offspring Wistar rats // Nanomedicine (Lond). 2017. Vol. 12, N 12, P. 1455–1473. doi: 10.2217/nnm-2017-0029
- Engler-Chiurazzi E.B., Stapleton P.A., Stalnaker J.J., et al. Impacts of prenatal nanomaterial exposure on male adult Sprague Dawley rat behavior and cognition // J Toxicol Environ Health A. 2016. Vol. 79, N 11. P. 447–452. doi: 10.1080/15287394.2016.1164101
- Javurek A.B., Suresh D., Spollen W.G., et al. Gut dysbiosis and neurobehavioral alterations in rats exposed to silver nanoparticles // Sci Rep. 2017. Vol. 7, N 1. P. 2822. doi: 10.1038/s41598-017-02880-0
- Tabatabaei S.R.F., Moshrefi M., Askaripour M. Prenatal exposure to silver nanoparticles causes depression like responses in mice // Indian J Pharm Sci. 2015. Vol. 77, N 6. P. 681–686. doi: 10.4103/0250-474x.174983
- Heidari Z., Mohammadipour A., Haeri P., Ebrahimzadeh-bideskan A. The effect of titanium dioxide nanoparticles on mice midbrain substantia nigra // Iran J Basic Med Sci. 2019. Vol. 22, N 7, P. 745–751. doi: 10.22038/ijbms.2019.33611.8018
- File S.E., Seth P. A review of 25 years of the social interaction test // European journal of pharmacology. 2003. Vol. 463, N 1-3. P. 35–53. doi: 10.1016/S0014-2999(03)01273-1
- Kim E.-M., Palmer P., Howard V., et al. Effect of intracerebroventricular injection of TiO2 nanoparticles on complex behavior in the rat // J Nanosci Nanotechnol. 2013. Vol. 13, N 12. P. 8325–8330. doi: 10.1166/jnn.2013.8217
- Krawczynska A., Dziendzikowska K., Gromadzka-Ostrowska J., et al. Silver and titanium dioxide nanoparticles alter oxidative/inflammatory response and renine-angiotensin system in brain // Food Chem Toxicol. 2015. Vol. 85. P. 96–105. doi: 10.1016/j.fct.2015.08.005
- Moradi-Sardareh H., Basir H.R.G., Hassan Z.M., et al. Toxicity of silver nanoparticles on different tissues of Balb/C mice // Life Sci. 2018. Vol. 211. P. 81–90. doi: 10.1016/j.lfs.2018.09.001
- Sharma A., Muresanu D.F., Lafuente J.V., et al. Sleep deprivation-induced blood-brain barrier breakdown and brain dysfunction are exacerbated by size-related exposure to Ag and Cu nanoparticles. Neuroprotective effects of a 5-HT3 receptor antagonist ondansetron // Mol Neurobiol. 2015. Vol. 52, N 2. P. 867–881. doi: 10.1007/s12035-015-9236-9
- Fraga S., Brandão A., Soares M.E., et al. Short- and long-term distribution and toxicity of gold nanoparticles in the rat after a single-dose intravenous administration // Nanomedicine. 2014. Vol. 10, N 8. P. 1757–1766. doi: 10.1016/j.nano.2014.06.005
- Kreyling W.G., Moeller W., Holzwarth U., et al. Age-dependent rat lung deposition patterns of inhaled 20 nanometer gold nanoparticles and their quantitative biokinetics in adult rats // ACS Nano. 2018. Vol. 12, N 8. P. 7771–7790. doi: 10.1021/acsnano.8b01826
- Li X., Hu Z., Ma J., et al. The systematic evaluation of size-dependent toxicity and multi-time biodistribution of gold nanoparticles // Colloids Surf B Biointerfaces. 2018. Vol. 167, P. 260–266. doi: 10.1016/j.colsurfb.2018.04.005
- Takeuchi I., Nobata S., Oiri N., Tomoda K., Makino K. Biodistribution and excretion of colloidal gold nanoparticles after intravenous injection: effects of particle size // Biomed Mater Eng. 2017. Vol. 28, N 3. P. 315–323. doi: 10.3233/BME-171677
- Uma Suganya K.S., Govindaraju K., Sivaraman D., et al. Nanotoxicity assessment of functionalized gold nanoparticles in Sprague–Dawley rats // Journal of cluster science. 2017. Vol. 28, N 5. P. 2933–2951. doi: 10.1007/s10876-017-1269-y
- Lee U., Yoo C.-J., Kim Y.-J., Yoo Y.-M. Cytotoxicity of gold nanoparticles in human neural precursor cells and rat cerebral cortex // J Biosci Bioeng. 2016. Vol. 121, N 3. P. 341e344. doi: 10.1016/j.jbiosc.2015.07.004
- Grissa I., ElGhoul J., Mrimi R., et al. In deep evaluation of the neurotoxicity of orally administered TiO2 nanoparticles // Brain Res Bull. 2020. Vol. 155, P. 119–128. doi: 10.1016/j.brainresbull.2019.10.005
- Кривова Н.А., Ходанович М.Ю., Замощина Т.А., и др. Влияние диоксида титана на некоторые функции центральной нервной системы крыс // Вестник Томского государственного университета. Биология. 2011. № 2 (14). С. 96–109.
- Ивлиева А.Л., Петрицкая Е.Н. Сохранение памяти о прохождении водного лабиринта Морриса спустя четыре месяца после тестирования. В сборнике: Когнитивное моделирование. Труды Пятого Международного форума по когнитивному моделированию (10–17 сентября 2017 г., Португалия, Кашкайш). В 2 частях. Под ред. С.И. Масалóва, В.Н. Полякова, В.Д. Соловьева. Часть 2. Когнитивное моделирование в науке, культуре, образовании: Труды V Международной конференции «Когнитивное моделирование в науке, культуре, образовании. CMSCE-2017». Ростов-на-Дону : Фонд науки и образования, 2017. С. 298–303.
- Ивлиева А.Л., Петрицкая Е.Н., Лопатина М.В. Предварительные данные о влиянии наночастиц на когнитивные способности молодых животных. В сборнике: Когнитивное моделирование. Труды Шестого Международного форума по когнитивному моделированию (30 сентября-07 октября 2018 г., Тель-Авив, Израиль). В 2 частях. Под ред. С.И. Масалóва, В.Н. Полякова, В.Д. Соловьева. Часть 2. Когнитивное моделирование в науке, культуре, образовании: Труды VI Международной конференции «Когнитивное моделирование в науке, культуре, образовании. CMSCE-2018». Ростов-на-Дону : Фонд науки и образования, 2018. С. 280–285.
- Ivlieva A.L., Petritskaya E.N., Rogatkin D.A., et al. Impact of chronic oral administration of silver nanoparticles on cognitive abilities of mice // Physics of particles and nuclei letters. 2021. Vol. 18, N 2. P. 250–265. doi: 10.1134/S1547477121020072
- Khan H.A., Alamery S., Ibrahim K.E., et al. Size and time-dependent induction of proinflammatory cytokines expression in brains of mice treated with gold nanoparticles // Saudi J Biol Sci. 2019. Vol. 26, N 3. P. 625–631. doi: 10.1016/j.sjbs.2018.09.012
- Ferreira G.K., Cardoso E., Vuolo F.S., et al. Effect of acute and long-term administration of gold nanoparticles on biochemical parameters in rat brain // Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2017. Vol. 79. P. 748–755. doi: 10.1016/j.msec.2017.05.110
- Tuna B.G., Yesilay G., Yavuz Y., et al. Electrophysiological effects of polyethylene glycol modified gold nanoparticles on mouse hippocampal neurons // Heliyon. 2020. Vol. 6, N 12. e05824. doi: 10.1016/j.heliyon.2020.e05824
- Sanati M., Khodagholi F., Aminyavari S., et al. Impact of gold nanoparticles on amyloid β-induced Alzheimer’s disease in a rat animal model: involvement of STIM proteins // ACS Chemic Neurosci. 2019. Vol. 10, N 5. P. 2299–2309. doi: 10.1021/acschemneuro.8b00622
- Hou K., Zhao J., Wang H., et al. Chiral gold nanoparticles enantioselectively rescue memory deficits in a mouse model of Alzheimer’s disease // Nat Commun. 2020, Vol. 11, N 1. P. 4790. doi: 10.1038/s41467-020-18525-2
- Fatemi M. The effects of indirect exposure of nanosilver on caspase-8 and caspase-9 levels in liver and brain of suckling rats // Nanomed J. 2019. Vol. 6, N 3, P. 176–182. doi: 10.22038/NMJ.2019.06.00004
- Naserzadeh P., Ghanbary F., Ashtari P., et al. Biocompatibility assessment of titanium dioxide nanoparticles in mice fetoplacental unit // J Biomed Mater Res A. 2018. Vol. 106, N 2. P. 580–589. doi: 10.1002/jbm.a.36221
- Fatemi M., Roodbari N.H., Ghaedi K., Naderi G. The effects of prenatal exposure to silver nanoparticles on the developing brain in neonatal rats // Journal of Biological Research. 2013. Vol. 20. P. 233.
- Zhou Y., Hong F., Tian Y., et al. Nanoparticulate titanium dioxide-inhibited dendritic development is involved in apoptosis and autophagy of hippocampal neurons in offspring mice // Toxicol Res (Camb). 2017. Vol. 6, N 6. P. 889–901. doi: 10.1039/c7tx00153c
- Zhou Y., Ji J., Chen Ch., Hong F. Retardation of axonal and dendritic outgrowth is associated with the MAPK signaling pathway in offspring mice following maternal exposure to nanosized titanium dioxide // J Agric Food Chem. 2019. Vol. 67, N 9. 2709−2715. P. 2709−2715. doi: 10.1021/acs.jafc.8b06992
- Bideskan A.E., Mohammadipour A., Fazel A., et al. Maternal exposure to titanium dioxide nanoparticles during pregnancy and lactation alters offspring hippocampal mRNA BAX and Bcl-2 levels, induces apoptosis and decreases neurogenesis // Exp Toxicol Pathol. 2017. Vol. 69, N 6. P. 329–337. doi: 10.1016/j.etp.2017.02.006
- Zhao G., Wang Z., Xu L., Xia C.-X., Liu J.-X. Silver nanoparticles induce abnormal touch responses by damaging neural circuits in zebrafish embryos // Chemosphere. 2019. Vol. 229. P. 169–180. doi: 10.1016/j.chemosphere.2019.04.223
- Morishita Y., Yoshioka Y., Takimura Y., et al. Distribution of silver nanoparticles to breast milk and their biological effects on breast-fed offspring mice // ACS Nano. 2016. Vol. 10, N 9. P. 8180–8191. doi: 10.1021/acsnano.6b01782
- Петрицкая Е.Н., Абаева Л.Ф., Рогаткин Д.А., и др. Некоторые проявления кардиотоксичности наночастиц золота / /Нанотехника. 2014. № 3 (36). С. 38–42.
- Петрицкая Е.Н., Абаева Л.Ф., Рогаткин Д.А., Литвинова К.С., Бобров М.А. К вопросу о токсичности наночастиц серебра при пероральном введении коллоидного раствора. // Альманах клинической медицины. 2011. № 25. C. 9–12.
- Петрицкая Е.Н., Абаева Л.Ф., Рогаткин Д.А. Некоторые аспекты токсичности наночастиц серебра в эксперименте со взрослыми мышами при пероральном приеме коллоидных растворов // Нанотехника. 2013. № 1 (33). C. 108–112.