Наночастицы и наноматериалы — неизбежные современные токсичные агенты. Обзор. Часть 3. Влияние наночастиц на мозг и поведение. Выводы и нерешённые проблемы

Обложка

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.

Об 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, 61/2

Инга Зиньковская

Объединённый институт ядерных исследований

Email: zinikovskaia@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0820-887X
SPIN-код: 6814-1720

д.х.н.

Россия, Дубна

Елена 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, 61/2

Дмитрий 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, 61/2

Список литературы

  1. 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.
  2. OECD test guidelines for chemicals. Available from: https://www.oecd.org/env/ehs/testing/oecdguidelinesforthetestingofchemicals.htm
  3. 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.
  4. 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
  5. 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
  6. 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
  7. 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
  8. 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
  9. 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
  10. 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
  11. 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.
  12. 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
  13. 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
  14. 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.
  15. 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
  16. 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
  17. 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
  18. 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
  19. 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
  20. 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
  21. 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
  22. 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
  23. 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
  24. 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
  25. 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
  26. 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
  27. 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
  28. 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
  29. 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
  30. 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
  31. 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
  32. 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
  33. 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
  34. 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
  35. 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
  36. 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
  37. 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.
  38. 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.
  39. 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.
  40. 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
  41. 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
  42. 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
  43. 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
  44. 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
  45. 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
  46. 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
  47. 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
  48. 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.
  49. 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
  50. 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
  51. 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
  52. 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
  53. 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
  54. Петрицкая Е.Н., Абаева Л.Ф., Рогаткин Д.А., и др. Некоторые проявления кардиотоксичности наночастиц золота / /Нанотехника. 2014. № 3 (36). С. 38–42.
  55. 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.
  56. 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.

© Ивлиева А.Л., Зиньковская И., Петрицкая Е.Н., Рогаткин Д.А., 2022

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
 


Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах