Томские ученые выяснили, как наночастицы из окружающей среды попадают в мозг

Группа учёных из Центра генетических ресурсов лабораторных животных ИЦИГ СО РАН и Биологического института Томского госуниверситета выяснили, как наночастицы вирусов, а также органических и неорганических веществ попадают в мозг. Также им удалось найти легкий способ блокировать их поступление, сообщает пресс-служба ТГУ.

"В окружающей среде присутствует большое количество наночастиц самых разных химических элементов и их соединений, от безобидных до токсичных, например, оксидов тяжелых металлов, – объясняет директор Центра генетических ресурсов лабораторных животных ИЦИГ СО РАН, профессор БИ ТГУ Михаил Мошкин. – Учеными накоплен ряд данных, которые свидетельствуют о неблагоприятном влиянии наночастиц, например, если люди живут ближе 50 метров от крупных магистралей, за счёт накопления наноразмерных частиц в мозге у них раньше развиваются нейродегенеративные заболевания (болезни Альцгеймера, Паркинсона и другие)".

Проникнуть через легкие и кровеносные сосуды они не могут, поскольку в мозг их не пускает гематоэнцефалитический барьер. Вычислить траекторию движения наночастиц помогли эксперименты, проведенные на грызунах.

Лабораторным животным закапывали раствор с наночастицами в носовую полость и с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ) отслеживали их появление в структурах головного мозга. Исследования показали, что в обонятельной луковице частицы появляются уже через три часа, концентрация нарастает и достигает максимума через 12 часов, в гиппокампе, зубчатой извилине и других структурах мозга максимум наблюдается через 3-4 дня. Движение чётко соответствует траектории нервных связей обонятельной системы.

При этом выяснилось, что не все наночастицы преодолевают синаптические передачи, например, оксид марганца проходит через синапсы, а двуокись кремния (песок) – нет. Причину объяснил протеомный анализ, проведенный учеными на базе Роттердамского университета: он показал, что оксид марганца, в отличие от песка, эффективно связывается с белком AP-3, который участвует в процессах синаптической передачи.

"На самом деле на пути к интересному результату часто лежат экспериментальные неудачи, – говорит Михаил Мошкин. – Наши исследователи очень хотели получить реальный нейробиологический эффект от поступления наночастиц в головной мозг. В одном из экспериментов мышам вводили в нос частицы оксида марганца в течение месяца. Но ничего не изменилось в поведении мышей. И, как показало МРТ-исследование, в мозгах этих мышей отсутствовали области накопления магнито-контрастного марганца. Далее было установлено, что однократное введение в носовую полость наночастиц практически полностью блокирует их захват и поступление в мозг при последующем введении. Эти результаты дали начало систематическому исследованию факторов, влияющих на транспорт наночастиц из носовой полости в мозг".

Выделено две группы факторов: первая – вещества, влияющие на состояние мукозального слоя, покрывающего окончания обонятельных нейронов, вторая – вещества, влияющие на мембранный потенциал обонятельных рецепторов. В итоге удалось найти комбинации химических соединений, которые либо полностью блокируют, либо существенно усиливают транспорт наночастиц из носовой полости в мозг.

Не менее важным открытием стало то, что при введении некоторых наночастиц в нос грызунов температура их тела быстро снижалась на несколько градусов. Попутно установлено, что при этом происходил отток цереброспинальной жидкости.

"Оказалось, что в носу происходит целый каскад событий. Выявленные эффекты значимы для разработки новых способов терморегуляции и решения такой серьёзной проблемы, как лечение отёка головного мозга, – рассказывает Михаил Мошкин. – Наночастицы сейчас вводят в состав разных препаратов для повышения их КПД. Полученные данные помогают понять, как нарастает концентрация этих частиц и как их можно вводить в организм пациента".

Что касается дальнейших исследований, биологи планируют изучить проникающую способность вирусов, в первую очередь, гриппа. Эта информация важна не только с точки зрения фундаментальной науки, она необходима для разработки профилактических мер, способствующих снижению масштабов эпидемий.

Также учёные намерены провести исследования с участием людей с «вредными» профессиями – пожарных и сварщиков, чтобы протестировать недавно открытый способ блокировки наночастиц. На основе полученных результатов можно будет разработать механизмы защиты человека от нежелательного воздействия таких частиц.