Longontwikkeling tot multi-walled koolstofnanotubes verhoogt bloeddruk en verstoort hartfunctie in ratten

Samenvatting

Achtergrond

Hartfrequentievariabiliteit (HRV) is een gevoelige marker voor de balans van het autonom zenuwstelsel (AZS) en voorspelt cardiovasculaire uitkomsten. Eerder werk uit ons laboratorium toonde aan dat inhalatie van multi-walled koolstofnanotubes (MWCNTs) in ratten zowel de sympathicus- als parasympathicus-toon versterkt, wat impliceert dat engineered nanoparticles (ENs) de cardiovasculaire functie kunnen wijzigen. De huidige studie breidt deze waarnemingen uit door real-time bloeddruk, hartslag en hartprestaties vast te leggen na MWCNT-inhalatie, en deze veranderingen te koppelen aan HRV-alteraties.

Methoden

Mannelijke Sprague-Dawley ratten (275–300 g) werden chirurgisch geïmplanteerd met een telemetrie-zender (HD-S21, Data Sciences International) en blootgesteld aan een 5 mg/m³ aerosol van MWCNTs gedurende 5 uur. Continue electrocardiogram (EKG) en bloeddrukdata werden verzameld voor, tijdens en op 1 en 7 dagen na blootstelling. Hartfunctie werd beoordeeld in genarcotiseerde ratten met een druk-volume (PV) lus catheter (Millar SPR-901) en gestage dobutamine-infusie (1,25–10 µg/kg).

Resultaten

Inhalatie van MWCNTs produceerde een snelle, dosis-afhankelijke stijging van systolische, diastolische en gemiddelde arteriële druk (MAP) die aanhield gedurende de 5-urige blootstellingsperiode (p < 0,01) en matig verhoogd bleef op 1 dag na blootstelling (p < 0,05). Hartslag daalde tijdens blootstelling, met een neiging naar significantie (p = 0,054). In genarcotiseerde ratten verlaagde MWCNT-blootstelling licht basale slagvolume (SV), slagwerk (SW) en cardiale output (CO), en verlaagde de dobutamine-geïnduceerde toename van SV, SW en CO op 1 dag na blootstelling merkbaar (p < 0,01). Geen significante verschillen werden waargenomen op 7 dagen na blootstelling. Bloeddrukresponsen op dobutamine waren onveranderd tussen groepen.

Conclusies

Longontwikkeling tot MWCNTs verhoogt tijdelijk de bloeddruk en verzwakt de cardiale responsiviteit in ratten, waarschijnlijk door gelijktijdige activatie van sympathicus- en parasympathicus-paden die de AZS-balans veranderen. Deze bevindingen benadrukken de noodzaak om te onderzoeken of dergelijke autonomestoornissen cardiovasculaire gebeurtenissen kunnen precipiteren in kwetsbare populaties.

Achtergrond

Met de toenemende industriële toepassing van nanomaterialen neemt de beroepsblootstelling toe, en dierstudies hebben korte-termijn longblootstelling aan engineered nanoparticles (ENs) gekoppeld aan longontsteking, fibrose en carcino-genese. Opkomende bewijzen duiden erop dat ENs ook de cardiovasculaire gezondheid beïnvloeden via ontsteking, translocatie of neurale mechanismen. Onze eigen onderzoeken toonden aan dat lage-dosis blootstelling aan ultrafijn titaniumdioxide (UFTiO₂) en MWCNTs de long matig ontsteekt, maar tijdelijke toenames in perifere neurotransmitter-synthese en HRV-veranderingen triggeren, wat neurale bemiddeling suggereert in plaats van direct hartcontact.

Het AZS handhaaft cardiovasculaire homeostase; verstoringen kunnen leiden tot hypertensie, aritmieën of beroerte. Epidemiologische data tonen aan dat zelfs korte inhalatie van deeltjes luchtverontreiniging, met name ultrafijne deeltjes, de cardiovasculaire morbiditeit verhoogt door de AZS-balans te verschuiven. Omdat nano-gedeeltes diep in de alveolen penetreren en mucociliaire clearance omzeilen, kunnen ze longzenuwen continu stimuleren, potentiële de centrale autonome controle wijzigend.

Methoden

Diervoorbereiding

Mannelijke Sprague-Dawley ratten werden een week geacclimatiseerd, gehuisvest in specifieke pathogen-vrije omstandigheden en gemonitord op gezondheid. Alle procedures werden goedgekeurd door het NIOSH Dierverzorgingscomité.

MWCNT-blootstelling

Ratten werden individueel blootgesteld in afgedichte kooien verbonden met een hoofd aerosolkamer via antistatische buizen. Een 5 mg/m³ MWCNT-aerosol (5 µm massa-mediâne aerodynamische diameter) werd gegenereerd en gekarakteriseerd door cascadetimpactor en gravimetrische analyse. De geschatte longbelasting per rat was ~5–7 µg, vergelijkbaar met beroepsblootstellingen.

Telemetrie-implantatie

Onder isofluraan-narcose werd de abdominale aorta gecannuleerd met een telemetrie-catheter en het toestel bevestigd onder de abdominale wand. Post-operatieve analgesie werd gegeven, en dieren mochten 3 weken herstellen voordat ze blootgesteld werden.

Hemodynamische metingen

In genarcotiseerde ratten werd een Millar PV-lus catheter via de halsslagader in de linkerventrikel aangebracht. Basale opnames werden 20 min gestabiliseerd voordat dobutamine-infusie bij incrementele doses (1,25–10 µg/kg). Signalen werden bemonsterd met 1 kHz en geanalyseerd met het MPVS-Ultra systeem.

Data-acquisitie en analyse

Bloeddruk werd continu vastgelegd gedurende 24 uur voor blootstelling, tijdens de 5-urige blootstelling, en op 1 en 7 dagen na blootstelling. Data geëxporteerd naar Excel en geanalyseerd met herhaalde-metingen ANOVA met Fisher's LSD; p < 0,05 werd significant geacht.

Resultaten

Figuur 1 illustreert de aerosolf grootteverdeling (massa-mediâne aerodynamische diameter 1,4 µm). Tijdens blootstelling stegen systolische, diastolische en gemiddelde arteriële drukken significant ten opzichte van gefilterde-lucht controles (Figuur 2). Op 1 dag na blootstelling bleven de drukverhogingen bestaan, maar waren niet statistisch significant; op 7 dagen keerden de drukken terug naar baseline.

Cardiale PV-lus analyse (Figuren 3–5) onthulde dat MWCNT-blootstelling basale SV, SW en CO licht verlaagde en de dobutamine-geïnduceerde stijging in deze parameters op 1 dag na blootstelling merkbaar verzwakte. Geen verschillen werden gezien op 7 dagen. Gemiddelde bloeddrukresponsen op dobutamine waren onveranderd (Figuur 6).

Discussie

Onze bevindingen bevestigen dat longblootstelling aan MWCNTs de bloeddruk verhoogt in vrij bewegende ratten, waarschijnlijk door sympathicus-activatie. Tegelijkertijd daalt de hartslag en is de cardiale responsiviteit op β-adrenerge stimulatie verzwakt, consistent met verhoogde parasympathicus-toon. De gelijktijdige toename van zowel sympathicus- als parasympathicus-activiteit suggereert een complexe AZS-modulatie in plaats van een simpele baroreflex-respons.

Mogelijke mechanismen omvatten directe stimulatie van centrale autonome kernen door ingeademde deeltjes of perifeure neurale activatie die de baroreceptor-reflex omzeilt. Belangrijk is dat deze autonomeschuivingen snel optreden en binnen dagen oplossen, maar kunnen een trigger vertegenwoordigen voor cardiovasculaire gebeurtenissen in gevoelige individuen.

Conclusies

Inhalatie van MWCNTs induceert tijdelijke autonomie-veranderingen die de bloeddruk verhogen en de hartfunctie verstooren in ratten. Vervolgonderzoek is gewenst om te bepalen of deze effecten het cardiovasculaire risico verergeren in populaties met pre-bestaande ziekten.

Afkortingen

CNTS

Koolstofnanotubes

CO

Cardiale output

DBP

Diastolische bloeddruk

EKG

Electrocardiogram

ENs

Engineered nanoparticles

HR

Hartslag

HRV

Hartfrequentievariabiliteit

MAP

Gemiddelde bloeddruk

MWCNTs

Multi-walled koolstofnanotubes

SBP

Systolische bloeddruk

SV

Slagvolume

SW

Slagwerk