Попадание наночастиц в центральную нервную систему через обонятельные нервы.

Попадание наночастиц в центральную нервную систему (ЦНС) предположительно может происходить на любом этапе респираторного тракта. Однако экспериментально прямое проникновение наночастиц в ЦНС было доказано только в случае обонятельных нервов.

Обонятельный нерв и обонятельные луковицы являются тем местом, через которое вирусные частицы проникают в ЦНС. Это связано с тем, что носовая обонятельная зона находится в непосредственной близости к обонятельной луковице центральной нервной системы (рис. 2.17). Обонятельные клетки и нервы являются природным механическим фильтром для очистки воздуха. Так, диаметр нерва составляет 100-200 нм, что препятствует проникно-

Близкое расположение обонятельной слизистой к обонятельной луковице центральной нервной систем

Рис. 2.17. Близкое расположение обонятельной слизистой к обонятельной луковице центральной нервной системы [2.41] вению микрометровых частиц, но в случае нанообъектов этот размер, вероятно, не является помехой для их попадания в обонятельную луковицу.

Вдыхаемые наночастицы, особенно частицы с размером менее 10 нм, посредством диффузии перемещаются от слизистой оболочки к обонятельным луковицам через реснички и обонятельные рецепторы (рис. 2.17). Дальнейшее передвижение и распределение твердых наночастиц вдоль окончаний обонятельных нервов было продемонстрировано на приматах (кроме человека) и грызунах. Установлено, что такое передвижение вдоль нервных окончаний определяется химией поверхности и морфологией наночастиц [2.41].

Эти сведения основаны на исследованиях, проведенных еще в 1940 г. на шимпанзе и макаках, которым через нос вносился вирус полиомиелита с размерами частиц 30 нм [2.55]. Была измерена скорость перемещения наночастиц вируса полиомиелита — 2,4 мм/ч, что по порядку совпадает со скоростью перемещения твердых наночастиц (до 500 нм), непосредственно введенных в обонятельные нервы гигантских крабов [2.56], а также со скоростью перемещения частиц коллоидного золота, покрытых серебром (50 нм) и введенных в носовую полость обезьян [2.57].

Данные механизмы, предложенные еще в прошлом веке, были еще раз подтверждены в 2004 г. в опытах над крысами, подвергнутых ингаляционному введению наночастиц углерода с 13С (средний диаметр частиц 35 нм) [2.58] путем вдыхания животными наночастиц Мп02 (средний диаметр 30 нм).

При поступлении наночастиц в обонятельные полости единственная преграда от попадания их в головной мозг — это гематоэнцефалический барьер[1]. Существуют работы, доказывающие преодоление этого физиологического барьера некоторыми наночастицами. Например, ультрадисперсные наночастицы CdSe/ZnS (3,2 нм) и Ag (30-60 нм) при вдыхании способны преодолевать гематоэнцефалический барьер и проникать через обонятельные нервы в кору головного мозга в течение 5 ч [2.41, 2.51].

Наночастицы из носовой области респираторного тракта могут напрямую попадать в центральную нервную систему при перемещении вдоль обонятельных нервов, а также проникать в головной мозг, преодолевая гематоэнцефалический барьер.

В настоящий момент такие исследования выполнены только на грызунах. По этим данным можно судить о механизме естественного проникновения твердых наночастиц в центральную нервную систему, но вопрос о возможности переноса этих результатов применительно к человеку до сих пор остается открытым, так как у людей и грызунов существуют различия в респираторном тракте (табл. 2.3). У человека обонятельная слизистая оболочка носа состав-

Сравнение параметров носовой области человека и крысы [2.41]

Таблица 2.3

Параметр

Крыса

Человек

Режим дыхания

Только через нос

Через нос и рот

Площадь носовой слизистой, см3

-16

-105

Площадь обонятельной слизистой, см3 (% от общего содержания слизи)

~8 (50%)

-5,25 (5%)

Доля носового воздушного потока, проходящего вдоль обонятельной слизистой,%

-15

-10

Масса обонятельной луковицы, 10-9 г

~85

-168

ляет только 5% носовой поверхностной слизистой оболочки, тогда как у крыс — 50%. Кроме того грызуны не имеют смешанного носового дыхания (рот-нос). В то же время есть данные, что концентрация частиц размером 20 нм в обонятельных луковицах, проникших в респираторный тракт человека, в 1,6-10 раз превышают значения, полученные на крысах [2.41].

Вполне возможно, что модели, разработанные на основе изучения респираторного тракта грызунов, будут неадекватными для описания поведения наночастиц в организме человека.

Сведений о выведении наночастиц из организма в литературе еще меньше, чем о путях и механизмах их попадания и распространения. Тем не менее, основываясь на доказанных или предполагаемых механизмах миграции наночастиц, можно сделать определенные предположения и о механизмах выведения. В первую очередь необходимо отметить, что ввиду высокой реакционной способности и склонности к агрегации наночастиц, их выведение в свободном состоянии из организма не представляется возможным. Исключение могут составлять наночастицы благородных металлов.

Попавшие частицы могут выходить из организма двумя путями: посредством физической диффузии (перемещение) или химическим связыванием. Химическое взаимодействие в межклеточной или внутриклеточной жидкости характерно для наночастиц, биорастворимых в жирах, но также они могут связываться с протеинами. Растворенные вещества и растворимые компоненты могут выводиться из клеточных структур с жидкостью. Из частиц могут вымываться некоторые элементы (например, натрий выщелачивается из асбестовых волокон и растворяется во внутри- и межклеточной жидкости). Вымытые в кровеносную и лимфатическую систему наночастицы могут попасть в выделительную систему. Предположительно, за выведение наночастиц из организма должны отвечать, в первую очередь, почки и печень и, в меньшей степени, потовые железы.

Химическое выведение частиц для биорастворимых материалов может происходить и в любой из трех областей респираторного тракта (табл. 2.4). Очевидно, что степень растворения определяется биохимическими условиями протекающего в межклеточном и внутриклеточном пространстве процесса (pH, наличие активных комплексообразова- телей, например, аминокислот, их солей и белков и др.).

Полупериод выведения твердых частиц в альвеолярной области (независимо от способа) у крыс составляет 70 дней, у человека — более 2 лет. Эффективность выведения главным образом зависит от интенсивности работы альвеолярных макрофагов, которая может длиться 6-12 ч сразу же после попадания в них частиц [2.39].

Возможные механизмы выведения наночастиц из респираторного тракта [2.41]

Таблица 2.4

Процесс с участием наночастиц

Область протекания процесса

Физическая диффузия

Во всех областях

Диффузия через реснитчатый эпителий

Область носа, бронхов и трахеи

Фагоцитоз в макрофагах

Область бронхов, трахеи и альвеол

Эндоцитоз в эпителиях

Во всех областях

Дренаж лимфы

Область бронхов и трахеи

Диффузия вдоль нейронов

Область носа, бронхов и трахеи

Циркуляция крови

Во всех областях

Химическое взаимодействие

Во всех областях

Растворение

Во всех областях

Выщелачивание

Во всех областях

Связывание с белками

Во всех областях

Помимо респираторного тракта есть и другие потенциальные пути выведения наночастиц. Согласно представленной выше схеме распространения наночастиц в организме человека (см. рис. 2.15) они могут перемещаться с кровью и уходить с грудным молоком; могут выводиться с потом, концентрируясь в кожном покрове. Из печени осевшие наночастицы могут доставляться в желудочно-кишечный тракт, откуда могут выводиться с фекалиями. Однако важно отметить, что все эти способы основаны только на предположениях исходя из функциональных особенностей жизнедеятельности организма и свойствах наночастиц, поэтому требуют проверки с привлечением достоверных экспериментальных данных.

  • [1] Гематоэнцефалический барьер — барьер между кровью, с одной стороны, и цереброспинальной жидкостью и нервнойтканью — с другой; физиологический «фильтр», регулирующий обмен веществ между кровью и тканями мозга.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >