Die Auswirkungen inhalierter mehrwandiger Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf den Blutdruck und die Herzfunktion

Hintergrund

Mit der potenziellen breiten industriellen Anwendung und der zunehmenden Produktion hat sich die Wahrscheinlichkeit einer Exposition gegenüber Nanomaterialien in vielen Industriesektoren erhöht. Daher wurde den gesundheitsschädlichen Auswirkungen der Exposition gegenüber Nanomaterialien große Aufmerksamkeit geschenkt. Tierstudien zeigten, dass eine kurzfristige Exposition der Lunge gegenüber technisch hergestellten Nanopartikeln in Abhängigkeit von den physikalischen und chemischen Eigenschaften des getesteten Nanomaterials eine schwere oder geringfügige Entzündungsreaktion in der Lunge verursachen kann. Darüber hinaus wurde die pulmonale Exposition gegenüber Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) mit Lungenfibrose und Krebsförderung in Verbindung gebracht [1,2,3,4,5]. Obwohl sich der Schwerpunkt der beruflichen Exposition gegenüber Nanomaterialien in letzter Zeit mehr auf Lungenerkrankungen und Karzinogenese und weniger auf das Herz-Kreislauf-System konzentriert hat, deuten epidemiologische und neuere Tierstudien stark darauf hin, dass eine pulmonale Exposition gegenüber Nanomaterialien das Herz-Kreislauf-System durch durch Nanopartikel induzierte Entzündungen, Translokationen beeinträchtigen kann , und/oder Neuronenregulation [6,7,8,9]. Unsere Studien haben ergeben, dass Nanopartikel aus ultrafeinem Titandioxid (UFTiO₂ ) und mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNTs) können in Dosen, die eine geringfügige akute Entzündungsreaktion in der Lunge verursachen, vorübergehend die Neurotransmittersynthese in den peripheren Neuronen erhöhen [8] und zu Veränderungen der Aktivität des autonomen Nervensystems führen ( ANS) [10]. Darüber hinaus haben wir bereits zuvor berichtet, dass die direkte Exposition isolierter Kardiomyozyten gegenüber UFTiO₂ veränderte die biologische Aktivität von Kardiomyozyten nicht [11]. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unsere Studien stark darauf hindeuten, dass einige Nanomaterialien in Dosen, die eine geringe akute Wirkung in der Lunge aufweisen, das kardiovaskuläre System beeinflussen, indem sie das neuronale System beeinflussen und nicht die direkte Translokation von Nanopartikeln zum Herzen.

Das ANS spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung einer normalen kardiovaskulären Funktion. Eine ANS-Störung kann zu Funktionsstörungen des Herz-Kreislauf-Systems führen, die zu Bluthochdruck, Schlaganfall oder Herzrhythmusstörungen führen können [12,13,14,15]. Epidemiologische Studien haben das Potenzial von inhalierten Nanopartikeln bestätigt, kardiovaskuläre Folgen zu verursachen. Zum Beispiel hat die Inhalation von Feinstaub-Luftverschmutzung für nur wenige Stunden die Mortalität und Morbidität im Zusammenhang mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen erhöht, indem sie das ANS-Gleichgewicht bei Menschen verändert, insbesondere bei Personen mit vorbestehenden Herz-Kreislauf-Erkrankungen [16]. Epidemiologische Studien weisen auch darauf hin, dass ultrafeine Partikel (UFP) signifikant zu den kardiovaskulären Auswirkungen der partikulären Luftverschmutzung beitragen können, teilweise aufgrund der relativ effizienteren alveolären Ablagerung von UFP im Vergleich zu feinen Partikeln [17]. Größere luftgetragene Partikel, die sich in den leitenden Atemwegen ablagern, können durch die Schleimhautrolltreppe, einem wichtigen Mechanismus für die pulmonale Clearance, schnell entfernt werden. Nanogroße Partikel können jedoch dieses erste Abwehrsystem umgehen, tief in die Luftröhre und die Lunge eindringen, um sensorische neuronale Endigungen dauerhaft zu stimulieren. Wir haben zuvor gezeigt, dass inhalierte MWCNTs die Herzratenvariabilität (HRV) signifikant verändern [10]. In der vorliegenden Studie wurde ein Rattenmodell verwendet, um den Einfluss einer pulmonalen Exposition gegenüber MWCNTs auf die Funktion des kardiovaskulären Systems weiter aufzuklären und diese Veränderungen mit der Aktivität des ANS zu korrelieren.

Methoden

Tier

Männliche Sprague-Dawley (Hla:(SD) CVF) Ratten von Hilltop Lab Animals (Scottdale, PA, USA), 275–300 g schwer und frei von viralen Pathogenen, Parasiten und Mykoplasmen, Helicobacter und cilia-assoziierten Atemwegen (CAR) Bazillus wurden für alle Experimente verwendet. Die Ratten wurden nach ihrer Ankunft 1 Woche lang akklimatisiert und in Käfigen mit Filterdeckel unter kontrollierten Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen und einem 12-Stunden-Licht-/12-Stunden-Dunkelzyklus untergebracht. Futter (Teklad 7913) und Leitungswasser wurden ad libitum bereitgestellt. Die Tiereinrichtungen sind spezifisch pathogenfrei, umweltkontrolliert und von der Association for Assessment and Accreditation of Laboratory Animal Care International (AAALAC) akkreditiert. Alle während der Studie verwendeten Tierverfahren wurden vom National Institute for Occupational Safety and Health Animal Care and Use Committee überprüft und genehmigt.

pulmonale MWCNT-Inhalation

MWCNTs wurden von Hodogaya Chemical Company (MWCNT-7, Chargen-Nr. 061220-31) bezogen. Männliche Sprague-Dawley-Ratten (250–300 g) wurden einem MWCNT-Aerosol (5 mg/m ³ .) ausgesetzt ) für 5 h. Die Ratten wurden einzeln in versiegelte Käfige gesetzt, die mit der Hauptexpositionskammer (die für diese Studie als Mischkammer verwendet wurde) durch antistatische flexible Schläuche verbunden waren. Gilian gilair-5 R basic Luftprobennahmepumpen (Sensidyne, St. Petersburg, FL 33716 USA) wurden an den versiegelten Käfigen angebracht, um entweder Aerosol von MWCNTs aus der Hauptexpositions-/Mischkammer oder gefilterte Luft (Kontrollgruppe) in den versiegelten Käfig zu ziehen bei einer Durchflussmenge von 1,25 l/min. Die Partikelmassengrößenverteilung des MWCNT-Aerosols in dem abgedichteten Käfig wurde durch einen Kaskadenimpaktor (MOUDI, Modelle 110 und 115, MSP Co., Shoreview, MN) bestimmt. Die MWCNT-Massenkonzentration wurde durch eine physikalisch-gravimetrische Analyse mit Teflonfiltern bestimmt. Das Aerosolerzeugungssystem, die Expositionskammer und die physikalische Charakterisierung des MWCNT-Aerosols wurden an anderer Stelle beschrieben [10, 18, 19]. Bei einem Depositionsanteil von 1,5 oder 2,7 % und einem durchschnittlichen Atemminutenvolumen von 186 ml/min [5] wird die Gesamtlungenbelastung mit unserem Expositionsschema zu 5 mg/m ³ . berechnet (Expositionskonzentration) ×  186 ml/min (Beatmungsminuten) ×  10 ^− 6 m ³ /ml (Volumenumrechnung) ×  300 min (Expositionsdauer) × 1,5 oder 2,7 % (alveoläre Ablagerungsfraktion), was ungefähr 4,2 oder 7,5 μg MWCNTs bei Ratten entspricht. Es dauert nur 14–25 Tage der Exposition, um dieselbe Lungenbelastung zu erreichen, wenn ein Arbeitnehmer MWCNTs mit einer Konzentration von 40 μg/m ³ ausgesetzt ist , was eine mögliche berufliche Exposition des Menschen ist [19, 20].

Implantation von Telemetriesendern

Vor der Operation wurden die Ratten getrennt, ruhig gehalten und vorsichtig behandelt, um Leiden zu vermeiden. Chirurgische Instrumente und Zubehör wurden autoklaviert und während des gesamten chirurgischen Eingriffs wurde eine aseptische Technik verwendet. Die Anästhesie wurde mit 3 % Isofluran und 1 l Sauerstoff pro Minute in einer Induktionskammer eingeleitet und während der Operation bei 2 % Isofluran und ½ Liter Sauerstoff pro Minute gehalten. Ein temperaturgesteuertes Heizkissen wurde verwendet, um die normale Körpertemperatur der Ratten aufrechtzuerhalten, die während des gesamten Verfahrens über eine Analsonde überwacht wurde. Die kardiopulmonalen Reaktionen wurden als intraoperative Überwachungstechnik zusammen mit den Wirbelsäulenreflexen untersucht, um die richtige Anästhesietiefe zu bestimmen. Die Inzisionsstellen wurden abgeschnitten und dann mit Povidon-Jod, gefolgt von 70 % Alkohol, aseptisch präpariert. Es wurde ein Bauchschnitt an der Mittellinie vorgenommen, und die Bauchschlagader wurde unter Verwendung steriler Wattestäbchen freigelegt. Der Druckkatheter des Telemetriesenders (HD-S21, Data Sciences International, St. Paul, MN) wurde in die Bauchschlagader eingeführt und stromaufwärts geführt. Gewebekleber (Vetbond, 3M Animal Care Products, St. Paul, MN) wurde verwendet, um den Katheter zu befestigen und eine Hämostase zu erzielen. Der Körper des Telemetriegeräts wurde unter der Bauchdecke auf der linken lateralen Seite der Inzision positioniert und durch Annähen an den Bauchmuskel mit 4–0 nicht resorbierbarem Nahtmaterial (Surgical Specialties Corporation, Wyomissing, PA) gesichert. Die postoperative Behandlung umfasste 5 mg/kg Meloxicam (Metacam, Boehringer Ingelheim Vetmedica, Inc. St. Joseph, MO), die 4 Tage lang einmal täglich zur Schmerzlinderung subkutan verabreicht wurde. Der Allgemeinzustand, das Körpergewicht sowie die Nahrungs- und Wasseraufnahme der Ratten wurden engmaschig überwacht. Ratten hatten eine Rekonvaleszenz von 3 Wochen vor der Datenerfassung und Inhalation.

In-vivo-hämodynamische Messungen

Die linksventrikuläre Funktion als Reaktion auf Dobutamin nach Exposition mit MWCNTs wurde durch einen Druck-Volumen-Schleifenkatheter bewertet, der in die linke Herzkammer der narkotisierten Ratte gelegt wurde. 1 und 7 Tage nach der Exposition wurde die Ratte mit 3% Isofluran mit 2 l Sauerstoff pro Minute in einer Induktionskammer anästhesiert und während der Operation bei 1–2% Isofluran mit 1 l Sauerstoff pro Minute gehalten. Als intraoperative Überwachungstechniken wurden die kardiopulmonale Reaktion (Herzfrequenz, Atemfrequenz und Tiefe) und der Reflex beim Einklemmen der Zehen untersucht. Die normale Körpertemperatur wurde durch ein temperaturgesteuertes Heizkissen aufrechterhalten und während des gesamten Eingriffs über eine Analsonde überwacht. Die Ratte wurde in Rückenlage gebracht, und die Einschnittsstellen wurden abgeschnitten und dann aseptisch mit Povidon-Jod, gefolgt von 70 % Alkohol, präpariert. Millars Mikro-Tip® Ultraminiatur-PV-Schleifenkatheter (SPR-901, Millar, Inc. Houston, TX) wurde durch die Halsschlagader in den linken Ventrikel eingeführt. Die korrekte Position der Katheterspitze im linken Ventrikel wurde durch die auf einem Computermonitor visualisierte Wellenform der Druck-Volumen-Schleife bestätigt. Nach einer Stabilisierung für 20 Minuten wurden die Signale der linksventrikulären Funktion kontinuierlich mit einer Abtastrate von 1000 Samples/s unter Verwendung eines PV-Leitfähigkeitssystems (MPVS-Ultra, Millar Instruments, Houston, TX, USA) aufgezeichnet, das an das PowerLab 4/30 . angeschlossen war Datenerfassungssystem (AD Instruments, Colorado Springs, CO, USA). Dobutamin, USP-Qualität (Hospira, Inc., Lake Forest, IL), wurde in pharmazeutischer steriler Kochsalzlösung (1,25, 2,5, 5, 10 μg/kg/50 μl) hergestellt und mit einer programmierbaren Pump 11 Elite-Spritze durch die Jugularvene appliziert Pumpen Sie (Harvard Apparatus, Holliston, MA, USA) für jede Dosis 30 s lang.

Datenerfassung und -analyse

Der Blutdruck von wachen, sich frei bewegenden Ratten wurde 24 h vor der Exposition, während der MWCNT-Exposition, 1 und 7 Tage nach der Exposition kontinuierlich aufgezeichnet. Am Expositionstag durften sich die Ratten 30 Minuten lang an die Kammer akklimatisieren, dann wurden während der Exposition 5 Stunden (9:00–14:00 Uhr) kontinuierliche Aufzeichnungen angefertigt. Blutdruckdaten von jedem Tier wurden gesammelt und dann in ein Excel-Tabellenkalkulationsprogramm (Excel 2010, Microsoft Corporation, Seattle, WA) exportiert (Dataquest ART-Analysesoftware; Data Sciences International). Der systolische Blutdruck (SBP), der diastolische Blutdruck (DBP) und der mittlere Blutdruck wurden über einen Zeitraum von 5 Stunden (9:00 bis 14:00 Uhr) gemittelt, um Vergleiche zwischen Kontroll- und MWCNT-Expositionsgruppen zu ermöglichen.

Statistische Analyse

Die Daten wurden unter Verwendung einer Zweiwege-Analyse (Behandlung pro Tag) mit wiederholten Messungen der Varianz verglichen. Nachfolgende paarweise Vergleiche wurden mit Fishers LSD getestet. Alle Daten wurden mit der SAS-Software (Version 9.3) analysiert, und die Unterschiede wurden als statistisch signifikant auf der Ebene von p . angesehen < 0,05. Die Werte in den Figuren wurden als Mittelwert  ± SE ausgedrückt.

Ergebnisse

In dieser Studie wurden die Partikelmassengrößenverteilung und Massenkonzentration des MWCNT-Aerosols im geschlossenen Expositionskäfig bestimmt. Die Ergebnisse zeigen einen massenmedianen aerodynamischen Durchmesser von 1,4 μm (Abb. 1) und eine MWCNT-Massenkonzentration von 5 mg/m ³ (Daten nicht angezeigt).

Eine typische Größenverteilung des MWCNT-Aerosols im abgedichteten Expositionskäfig, die einen massenmedianen aerodynamischen Durchmesser von 1,4 μm anzeigt

Der Blutdruck wurde an frei beweglichen Ratten gemessen, die mit der Telemetrie instrumentiert wurden, und als prozentuale Änderung gegenüber der Vorexposition verglichen. Unsere Ergebnisse zeigten, dass der systolische, diastolische und mittlere Blutdruck während der 5-stündigen Expositionsdauer in der MWCNT-exponierten Gruppe im Vergleich zur Kontrollgruppe signifikant erhöht waren (Abb. 2a–c). 1 Tag nach der Exposition war die prozentuale Änderung des systolischen, diastolischen und mittleren Blutdrucks in der MWCNT-exponierten Gruppe zwar immer noch höher als in der Kontrollgruppe, der Unterschied war jedoch nicht signifikant (Abb. 2a–c). 7 Tage nach der Exposition wurde kein Unterschied im Blutdruck zwischen den beiden Gruppen beobachtet (Abb. 2a–c).

a Balkendiagramm, das eine prozentuale Änderung des systolischen Blutdrucks (SBP) während des Expositionszeitraums und 1 und 7 Tage nach der Exposition gegenüber dem Basalwert vor der Exposition darstellt (Kontrolle vor der Exposition gegenüber MWCNTs:127,0 ± ± 3,0 versus 127,6 ± ± 1,7 mmHg). b Balkendiagramm, das eine prozentuale Änderung des diastolischen Blutdrucks (DBP) während des Expositionszeitraums und 1 und 7 Tage nach der Exposition gegenüber dem Basalwert vor der Exposition darstellt (Kontrolle vor der Exposition gegenüber MWCNTs:85,1 ± 2,0 gegenüber 86,9 ± 1,2 mmHg). c Balkendiagramm, das eine prozentuale Änderung des mittleren Blutdrucks (MAP) während des Expositionszeitraums sowie 1 und 7 Tage nach der Exposition gegenüber dem Basalwert vor der Exposition darstellt (Kontrolle vor der Exposition gegenüber MWCNTs:99,1 ± 2,3 gegenüber 100,4 ± 1,4 mmHg). Jeder Wert repräsentiert den Mittelwert  ± SE von acht Ratten. P < 0,01 im Vergleich zur Kontrollgruppe (*)

Die Herzfunktion nach Exposition mit MWCNTs wurde durch Messung der linksventrikulären Leistung als Reaktion auf erhöhte Dosen von Dobutamin bei anästhesierten Ratten 1 und 7 Tage nach der Exposition bewertet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Exposition gegenüber MWCNTs das basale Herzschlagvolumen (SV), die Herzschlagarbeit (SW) und das Herzzeitvolumen (CO) leicht senkte, aber die Reaktionsfähigkeit des Schlagvolumens, der Schlagarbeit und des Herzzeitvolumens auf eine erhöhte Dosis von Dobutamin 1 Tag nach der Exposition (Abb. 3, 4 und 5). 7 Tage nach der Exposition wurde kein Unterschied zwischen den beiden Gruppen beobachtet (Abb. 3, 4 und 5). Der Blutdruck in Gegenwart von erhöhten Dosen von Dobutamin wurde ebenfalls gemessen, und es gab keinen Unterschied zwischen der Kontrollgruppe und der MWCNT-exponierten Gruppe (Abb. 6).

Liniendiagramm, das eine prozentuale Änderung des Schlagvolumens (SV) gegenüber dem Basalwert vor der Exposition darstellt (Kontrolle vor der Exposition gegenüber MWCNTs 1 Tag nach der Exposition:109,3 ± 7,0 gegenüber 106,7 ± 10,4 μl, Kontrolle gegenüber MWCNTs 7 Tage nach der Exposition:118,8 ± 5,7 gegenüber 127,5 ± 3,7 μl). Jeder Wert repräsentiert den Mittelwert  ± SE von acht Ratten. P < 0,01 exponiert im Vergleich zur Kontrollgruppe 1 Tag nach der Exposition (*)

Liniendiagramm, das eine prozentuale Änderung der Schlagarbeit (SW) gegenüber dem Basalwert vor der Exposition darstellt (Kontrolle vor der Exposition vs. MWCNTs 1 Tag nach der Exposition:11276 ± 1165 vs. 11.151,7 ± 727,9 mmHg × μl, Kontrolle vs. MWCNTs 7 Tage nach der Exposition:13245 ± 893,4 gegenüber 13.644,2 ± 536,5 mmHg × μl). Jeder Wert repräsentiert den Mittelwert  ± SE von acht Ratten. P < 0,01 exponiert im Vergleich zur Kontrollgruppe 1 Tag nach der Exposition (*)

Liniendiagramm, das eine prozentuale Änderung des Herzzeitvolumens (CO) gegenüber dem Basalwert vor der Exposition darstellt (Kontrolle vor der Exposition vs. MWCNTs 1 Tag nach der Exposition:42243,3 ± 4500,1 vs. 40.556,6 ± 2308,8 μl/min, Kontrolle vs. MWCNTs 7 Tage nach:44903,3 ± 2906,0 vs. 46.210 ± 1624,8 μl/min). Jeder Wert repräsentiert den Mittelwert  ± SE von acht Ratten. P < 0,01 exponiert im Vergleich zur Kontrollgruppe 1 Tag nach der Exposition (*)

Liniendiagramm, das eine prozentuale Änderung des mittleren Blutdrucks (MBP) gegenüber dem Basalwert vor der Exposition darstellt (Kontrolle vs. MWCNTs 1 Tag nach der Exposition:97,7 ± 2,8 vs. 98,1 ± 2,6, Kontrolle vs. MWCNTs 7 Tage nach der Exposition:102,5 ± 4,2 vs. 100,9 ± 5.5). Jeder Wert repräsentiert den Mittelwert ± SE von acht Ratten

Diskussion

Die Rolle des autonomen Nervensystems (ANS) bei der Regulation der kardiovaskulären Funktion ist gut untersucht [21]. Wir haben zuvor berichtet, dass die pulmonale Inhalation von MWCNTs die Herzfrequenzvariabilität (HRV) und die reduzierte Herzfrequenz (HR) verändert, indem sie die Aktivität sowohl des sympathischen als auch des parasympathischen Nervensystems bei Ratten erhöht [10]. Bei Arbeitnehmern pulmonale Exposition gegenüber TiO₂ Partikel mit einem Durchmesser von < 300 nm waren mit einer veränderten HRV verbunden, eine Änderung, die mit Partikeleffekten auf das autonome Nervensystem übereinstimmt [22]. Dementsprechend bestätigte eine epidemiologische Studie, dass der ultrafeine Anteil von Feinstaub in der Umgebungsluft eine Schlüsselrolle bei der Regulation der kardiovaskulären autonomen Nervenaktivität spielt [23]. Die Mechanismen, durch die die Veränderungen des autonomen Nervensystems, die aus einer pulmonalen Exposition gegenüber ENs resultieren, jedoch die kardiovaskuläre Funktion beeinflussen, bleiben unklar. Der Sympathikus und der Parasympathikus neigen dazu, wechselseitig zu wirken, um die kardiovaskuläre Funktion zu regulieren. Unsere Ergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass die Aktivität sowohl des sympathischen als auch des parasympathischen Nervs nach Exposition mit MWCNTs gleichzeitig erhöht war [10]. Um die Folgen einer veränderten ANS-Aktivität nach Exposition gegenüber ENs auf die kardiovaskuläre Leistung aufzuklären, wurde der Blutdruck von denselben wachen, sich frei bewegenden Ratten, die für die Untersuchung der HRV verwendet wurden, aufgezeichnet und analysiert, wie wir zuvor berichtet haben [10]. Unsere Ergebnisse zeigten, dass der systolische, diastolische und mittlere Blutdruck während der MWCNT-Exposition im Vergleich zur Kontrollgruppe signifikant erhöht waren (Abb. 2a–c) und 1 Tag nach der Exposition etwas höher (wenn auch nicht signifikant) blieb. Der signifikant höhere Blutdruck nach pulmonaler Exposition gegenüber MWCNTs war wahrscheinlich nicht auf eine Stressreaktion zurückzuführen, da die Reaktion während der 5-stündigen Exposition aufrechterhalten wurde und sich von der bei gefilterter Luftkontrolle unterschied. Eine Stressreaktion führt normalerweise zu einer Kampf-oder-Flucht-Reaktion, einer physiologischen Reaktion mit erhöhtem Blutdruck und beschleunigter Herzfrequenz und stärkerer Herzkontraktion aufgrund einer hemmenden Wirkung auf das parasympathische neuronale System. In unserer vorherigen Studie wurde die Aktivität des sympathischen Nervensystems direkt durch die MWCNT-Inhalation stimuliert, was darauf hindeutet, dass eine MWCNT-stimulierte Zunahme der Aktivität des sympathischen Nervensystems für den höheren Blutdruck nach Exposition mit MWCNTs in der vorliegenden Studie verantwortlich war.

In der vorliegenden Studie legen unsere Ergebnisse nahe, dass der erhöhte Blutdruck während der Exposition gegenüber MWCNTs bei wachen, sich frei bewegenden Ratten im Vergleich zur Kontrollgruppe mit einer verringerten Herzfrequenz verbunden war (an der Grenze zu statistischer Signifikanz (p =  0,054)) (Daten nicht gezeigt)). Die während der Exposition beobachtete reduzierte Herzfrequenz stimmte mit unserem vorherigen Bericht überein, dass während der Exposition gegenüber MWCNTs eine erhöhte parasympathische Nervenaktivität auftrat [10]. Der Nachweis einer Korrelation zwischen erhöhter parasympathischer Nervenaktivität und der Wirkung auf die Herzleistung nach Exposition mit MWCNTs wurde durch die Untersuchung der basalen Herzleistung und der kardialen Ansprechbarkeit auf Dobutamin, einen β-adrenergen Rezeptoragonisten, bei anästhesierten Ratten gestützt. 1 Tag nach der Exposition waren die basalen Herzaktivitäten der Herzfrequenz, des Herzzeitvolumens und des linksventrikulären endsystolischen Drucks bei MWCNT-exponierten Ratten niedriger, obwohl die Unterschiede keinen statistischen Unterschied erreichten (Daten nicht gezeigt). Der Einfluss einer erhöhten parasympathischen Nervenaktivität auf das Herz wurde ferner durch eine verminderte Ansprechbarkeit des Schlagvolumens, der Herzarbeit und des Herzzeitvolumens auf Dobutamin angezeigt (Abb. 3, 4 und 5). Dobutamin ist ein β-Rezeptor-Agonist. Die Aktivierung von β-Rezeptoren im Herzen ahmt eine sympathische Wirkung nach. Daher könnte das verminderte Ansprechen der Herzleistung auf Dobutamin auf eine Abnahme der sympathischen Nervenaktivität zurückzuführen sein. In der vorliegenden Studie resultierte die reduzierte Herzleistung in Gegenwart von Dobutamin jedoch eher aus einer erhöhten parasympathischen Aktivität während der MWCNT-Exposition, da unsere vorherige Studie zeigte, dass die sympathische Nervenaktivität nach der MWCNT-Exposition bei wachen, sich frei bewegenden Ratten hoch blieb [10] . Obwohl es einen zeitlichen Unterschied für die Messung des Blutdrucks und der Herzfunktion bei wachen, sich frei bewegenden Ratten und narkotisierten Ratten gab, impliziert eine verringerte Herzfrequenz bei wachen Ratten zusammen mit einer verminderten Reaktion der Herzfunktion auf Dobutamin (Abb. 3, 4 und 5) eine erhöhte parasympathische Aktivität und ihre Auswirkungen auf das Herz nach Exposition gegenüber MWCNTs.

Es gibt zwei Mechanismen, die zu einer verringerten Herzfrequenz und Herzleistung zusammen mit einem erhöhten Blutdruck beitragen können, die in dieser Studie auftraten. Eine davon ist eine gut etablierte Barorezeptorreflexreaktion. Der zweite ist ein direkter Anstieg des parasympathischen neuronalen Outputs im kardiovaskulären Zentrum nach Inhalation von MWCNTs, wie wir zuvor berichtet haben [10]. An beiden Mechanismen ist das parasympathische Nervensystem beteiligt, jedoch mit unterschiedlichen Signalwegen. Es ist allgemein bekannt, dass ein erhöhter Blutdruck den Barorezeptor anregen kann, indem er seine basale Rate der Aktionspotentialerzeugung erhöht und das Signal an den Nucleus des Tractus solitarius (NTS) sendet, der wiederum das vasomotorische Zentrum hemmt und die Vaguskerne stimuliert [24 , 25]. Das Endergebnis ist eine Reduzierung der Herzfrequenz und der Herzkontraktilität, wodurch der Blutdruck in einem engen Schwankungsbereich gehalten wird. In unserer Studie waren reduzierte Herzfrequenz und Herzleistung mit einem signifikant höheren Blutdruck nach MWCNT-Exposition bei wachen Ratten verbunden, was auf einen hohen Blutdruck zurückzuführen sein könnte, der den Barorezeptorreflex auslöst. Bei narkotisierten Ratten fanden wir jedoch keinen Unterschied im basalen Blutdruck zwischen der Kontroll- und der Expositionsgruppe (Kontrolle vs. MWCNTs:mittlerer Blutdruck 98,6 vs. 97,9 mmHg), höchstwahrscheinlich aufgrund des Einflusses der Anästhesie [26]. Die Herzleistung in der MWCNT-Expositionsgruppe war im Vergleich zur Kontrollgruppe basal relativ schwach (siehe Legenden der Abb. 3, 4 und 5). Interessanterweise war das Ansprechen des Schlagvolumens, der Herzarbeit und des Herzzeitvolumens auf eine erhöhte Dobutamindosis bei MWCNT-exponierten Ratten signifikant schwächer, während sich der Blutdruck, der gleichzeitig mit der Herzfunktion als Reaktion auf Dobutamin gemessen wurde, zwischen den Kontrollen nicht unterschied. und MWCNT-Gruppen (Abb. 6). Diese Beobachtungen schlossen die Rolle des Barorezeptorreflexes aus und legten stark nahe, dass eine pulmonale Exposition gegenüber MWCNTs die Aktivität des parasympathischen Nervensystems durch einen anderen Mechanismus als den Barorezeptorreflex erhöhen kann. Der Nachweis einer direkten Stimulation der parasympathischen Nervenaktivität durch Kohlenstoffnanoröhrchen wurde auch in einer anderen Tierstudie beobachtet [27]. Diese Studie ergab, dass intratracheal instillierte einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen die Herzfrequenz ohne einen Anstieg des Blutdrucks bei Ratten reduzierten [27]. In Anbetracht des schnellen Beginns während der Exposition und der vorübergehenden Auswirkungen auf das ANS, den Blutdruck und die Herzleistung schließt unsere Studie auch die mögliche Rolle einer durch Nanopartikel induzierten Entzündung und Nanopartikel-Translokation bei der Regulierung der Herz-Kreislauf-Funktion aus und unterstützt die Hypothese, dass eine pulmonale Exposition gegenüber Nanopartikel können direkt zerebrale Bereiche beeinflussen, die für die autonome Kontrolle verantwortlich sind, was wiederum die kardiovaskuläre Funktion beeinflusst.

Unsere Studie weist darauf hin, dass die Wirkung von MWCNT-induzierten Veränderungen des ANS auf das kardiovaskuläre System offensichtlich auf der Verteilung der autonomen Nerven beruht. Im Gefäßsystem werden die Blutgefäße hauptsächlich von sympathischen Nerven innerviert, die meisten dieser sympathischen Nerven setzen Noradrenalin (NE) frei, das an α₁ . bindet -adrenerge Rezeptoren, um eine Gefäßverengung zu verursachen. Im Körper gibt es nur wenige Arten von Blutgefäßen, die von parasympathischen cholinergen oder sympathischen cholinergen Nerven innerviert werden, die beide Acetylcholin (ACh) freisetzen, das an muskarinische Rezeptoren bindet und eine Gefäßerweiterung bewirkt. Daher besteht die Gesamtwirkung einer Zunahme sowohl der sympathischen als auch der parasympathischen Nervenaktivität darin, den Blutdruck durch Gefäßverengung zu erhöhen. Das Herz wird sowohl von parasympathischen als auch sympathischen Fasern innerviert, die wechselseitig arbeiten, um die Herzfrequenz (Chronotropie), die Kontraktionskraft (Inotropie) und die Entspannung (Lusitropie) zu modulieren [28, 29]. Die Exposition gegenüber MWCNTs führte als Reaktion auf Dobutamin zu einer verlangsamten Herzfrequenz und reduzierten Schlagvolumen, Schlagarbeit und Herzzeitvolumen (Abb. 3, 4 und 5), was darauf hindeutet, dass eine erhöhte Aktivität des parasympathischen Nervensystems bei der Kontrolle der Herzfrequenz und der Herzleistung dominant war nach pulmonaler Exposition gegenüber MWCNTs, selbst angesichts einer erhöhten sympathischen Aktivität.

Die vorliegende Studie war die erste, die berichtete, dass die Exposition gegenüber MWCNTs Veränderungen des ANS induzierte, die die kardiovaskuläre Funktion signifikant beeinträchtigen können. Obwohl die Wirkungen inhalativer MWCNTs auf den Blutdruck, die Herzfrequenz und die Herzfunktion überwiegend während der Expositionszeit beobachtet wurden und sich der vorübergehende Blutdruckanstieg und eine verminderte Herzleistung bei gesunden Tieren schnell anpassen, sind solche vorübergehenden Veränderungen der Herz-Kreislauf-Funktion könnte ein Risikofaktor für die Auslösung eines kardiovaskulären Ereignisses bei Patienten mit vorbestehenden kardiovaskulären Erkrankungen wie Herzinsuffizienz und Bluthochdruck sein. Eine kürzlich durchgeführte In-vivo-Ischämie/Reperfusions-(I/R)-Studie zeigte, dass die pulmonale Exposition gegenüber MWCNTs die I/R-Schädigung sogar ohne signifikante Kreislaufentzündungsreaktion signifikant erhöht [30]. Es ist gut untersucht worden, dass eine Störung des autonomen Nervensystems die I/R-Schädigung erhöhen kann, die während einer kardialen Ischämie zu einer stärkeren Schädigung des Herzgewebes führt [31]. Während einer Herzinsuffizienz pumpt das Herz aufgrund der Schwäche des Herzmuskels nicht genügend Blut in die Lunge für den Sauerstoffaustausch und in den Rest des Körpers, um eine ordnungsgemäße Organfunktion aufrechtzuerhalten. In diesem beeinträchtigten Zustand könnte eine weitere Erhöhung des Blutdrucks und eine Verringerung der Herzkontraktilität durch MWCNTs-Exposition zu einer Verschlechterung einer bereits gestörten kardiovaskulären Funktion und Organperfusion führen. Unsere Studie zeigt eindeutig, dass eine MWCNT-Exposition die ANS-Aktivität stimulieren kann, die mit einer Veränderung der kardiovaskulären Funktion verbunden ist. Die Beobachtung aus unserer Studie könnte für die Schlussfolgerung der American Heart Association relevant sein, dass eine Exposition gegenüber Feinstaub < 2,5 μm in der Umgebungsluft für nur wenige Stunden oder Wochen eine kardiovaskuläre Mortalität und Morbidität bei Menschen mit vorbestehender kardiovaskulärer Erkrankung auslösen kann Bedingungen [16].

Schlussfolgerungen

Die Beobachtungen in der vorliegenden Studie liefern grundlegende Beweise, um unsere früheren Ergebnisse und die Hypothese zu unterstützen, dass eine pulmonale Exposition gegenüber Nanopartikeln die kardiovaskuläre Funktion aufgrund der Veränderungen der ANS-Aktivität beeinträchtigen kann. Zusammenfassend zeigt unsere Studie, dass die Exposition gegenüber MWCNT-induzierten Veränderungen des ANS die kardiovaskuläre Funktion signifikant beeinflussen kann. Weitere Studien sind erforderlich, um zu untersuchen, ob die vorübergehenden Veränderungen der Herz-Kreislauf-Funktion schwerwiegendere nachteilige Auswirkungen auf Personen mit vorbestehenden Herz-Kreislauf-Erkrankungen haben können.

Abkürzungen

CNTs:

Kohlenstoff-Nanoröhrchen

CO:

Herzzeitvolumen

DBP:

Diastolic blood pressure

EKG:

Electrocardiogram

ENs:

Engineered nanoparticles

HR:

Heart rate

HRV:

Heart rate variability

MAP:

Mean blood pressure

MWCNTs:

Multi-walled carbon nanotubes

SBP:

Systolic blood pressure

SV:

Stroke volume

SW:

Stroke work