УДК 57.044:574.23
ОСАЖДЕНИЕ АЭРОЗОЛЕЙ В НОСОВЫХ ХОДАХ НОРНЫХ И НАЗЕМНЫХ ГРЫЗУНОВ ПРИ ДЫХАНИИ В ЗАПЫЛЕННОЙ СРЕДЕ
© 2014 г. М. П. Мошкин1, Д. В. Петровский1, А. Е. Акулов1, А. В. Ромащенко1,5, Л. А. Герлинская1, М. И. Мучная2, В. Л. Ганимедов2, А. С. Садовский2, А. А. Савелов3, И. В. Коптюг3, С. Ю. Троицкий4, В. И. Бухтияров4, Н. А. Колчанов1, Р. З. Сагдеев3, В. М. Фомин2
1 Институт цитологии и генетики СО РАН 630090 Новосибирск, просп. акад. Лаврентьева, 10 2 Институт теоретической и прикладной механики СО РАН 630090 Новосибирск, ул. Институтская, 4/1 3 Международный томографический центр СО РАН 630090 Новосибирск, ул. Институтская, 3а 4Институт катализа СО РАН 630090 Новосибирск, просп. акад. Лаврентьева, 5 5 Конструкторско-технологический институт вычислительной техники СО РАН 630090 Новосибирск, ул. Институтская, 6 е-mail: mmp@bionet.nsc.ru Поступила в редакцию 16.05.2013 г.
Адаптация к подземному образу жизни подземных грызунов, роющих ходы передними зубами, предполагает формирование механизмов защиты от вдыхаемых в процессе рытья пылевых частиц разного размера. Таковыми могут быть видовые особенности организации воздушных потоков в носовой полости. Для проверки данного предположения были выполнены сравнительные исследования геометрии и аэродинамики носовых ходов у типичного представителя подземных грызунов - обыкновенной слепушонки и представителя наземных видов - домовой мыши. Численное моделирование воздушных потоков и осаждения микро- и наноразмерных аэрозолей показало, что седиментация модельных частиц на всей поверхности носовых полостей выше у слепушонки, чем у мыши. Вместе с тем осаждение частиц на поверхности обонятельного эпителия, наоборот, значительно меньше у норного грызуна по сравнению с наземным. Адаптивная значимость последнего обоснована экспериментальным изучением поступления наночастиц гидратированного оксида марганца MnO • (H2O)x и ионов Mn из носовой полости в головной мозг. Методом магнитно-резонансной томографии (МРТ) было установлено, что при интраназальном введении частиц или ионов их поступление в обонятельные луковицы не отличается у исследуемых видов. Тогда как при ингаляции наноразмерных аэрозолей MnCl2 накопление Mn в обонятельных луковицах мыши значительно превосходит таковое у слепушонки. Таким образом, морфология носовых ходов как фактор, определяющий аэродинамику верхних дыхательных путей, обеспечивает норным грызунам более эффективную по сравнению с наземными защиту от вдыхаемых аэрозолей как легких, так и головного мозга.
Условия обитания подземных грызунов предъявляют противоречивые требования к морфологии носовых ходов. С одной стороны, уже на глубине фуражировочных туннелей, т.е. в 20 см от поверхности почвы, значительно сглаживаются температурные колебания (Ganot et а1., 2012) и соответственно снижается потребность в выравнивании температуры вдыхаемого и альвеолярного воздуха. Кроме того, в гнездовых камерах, рас-
положенных на глубине более 1 м, существенно падает концентрация кислорода и растет содержание углекислого газа (Burda et al., 2007). Иными словами, локальные условия среды формируют запрос на уменьшение объема носовых полостей и минимизацию "мертвого пространства" верхних дыхательных путей как одного из условий меньшего падения парциального давления кислорода на участке атмосфера - альвеолы. С другой
стороны, жизнь истинных норных животных, питающихся подземными частями растений, связана с постоянным рытьем туннелей и соответственно с дыханием в среде с высоким содержанием пылевых частиц, что особенно значимо для роющих резцами видов. При этом ротовая полость у них закрыта защитной мембраной, и дыхание осуществляется только через нос, который должен обеспечить эффективное осаждение твердых аэрозолей, образующихся в процессе рытья. Это может быть достигнуто благодаря большой поверхности и сложной геометрии носовых ходов.
Вдыхаемые аэрозоли, осевшие в полости носа, либо выводятся с помощью реснитчатого эпителия, либо подвергаются фагоцитозу. Такова судьба частиц, попавших на поверхность респираторного эпителия. Вместе с тем частицы, осевшие в области обонятельного эпителия, могут перемещаться по волокнам ольфакторных нервов непосредственно в обонятельные отделы головного мозга (Lorenzo, 2008). Возможность аксонального транспорта наночастиц обоснована экспериментами in vitro, в которых проводили прямую регистрацию перемещения по нервным волокнам так называемых квантовых точек (флюоресцирующие наночастицы), а также экспериментами in vivo, в которых было установлено, что введение наночастиц в носовую полость вместе с ингибиторами нейронального захвата или тубулярного транспорта подавляет их накопление в обонятельном эпителии (Osakada, Cui, 2011; Moshkin et al., 2012). Косвенные доказательства поступления различных частиц из носовой полости в мозг приводятся в ряде экспериментальных работ, выполненных на лабораторных крысах и мышах. Установлено, что при интраназальной аппликации или ингаляции наноразмерных и даже субмикронных (до 280 нм) частиц оксидов титана, кремния, железа и марганца содержание исследуемых элементов возрастает прежде всего в обонятельных луковицах, а затем и в других отделах мозга (Elder et al., 2006; Wang et al., 2008a,b; Lucchini et al., 2012).
Причем если суспензию металло-оксидных на-ночастиц вводить в одну ноздрю, то содержание образующих их металлов повышается в ипсилате-ральных (по отношению к введению) обонятельных луковицах. В природных условиях у норных животных, населяющих территории с высоким содержанием в почве Mn и Cd, наблюдается накопление этих металлов в обонятельных луковицах (Bench et al., 2001). Ионы некоторых металлов, например марганца, обладают нейротоксичес-ким действием (Lucchini et al., 2012; Win-Shwe, Fujimaki, 2011). Но для наночастиц негативное
влияние на нейрональные процессы отмечается вне зависимости от их химического состава. В частности, активация свободнорадикального окисления и экспрессия провоспалительных ци-токинов отмечены при накоплении в головном мозге относительно нейтральных соединений, например оксида кремния и оксида титана (Wang et al., 2008b; Wu et al., 2011).
Таким образом, ограничение седиментации твердых аэрозолей, особенно наночастиц, на поверхности обонятельного эпителия должно иметь высокую адаптивную ценность как механизм, предохраняющий мозг от нейродегенеративных факторов среды. Весомый вклад в формирование такой защиты может вносить геометрия носовых ходов. Вместе с тем вопрос об анализе видовых особенностей воздушных потоков в верхних дыхательных путях, как основы адаптации к роющей деятельности, не только не разработан, но даже и не поставлен. В этой связи мы провели сравнительное изучение морфологии и аэродинамики носовых полостей у видов, занимающих различные экологические ниши. Лабораторные мыши инбредной линии C57Bl/6j, ведущие происхождение от Mus musculus, были исследованы как референтные представители наземных грызунов. В качестве типичного норного животного была использована обыкновенная слепушонка, Ellobius talpinus. Этот вид населяет обширные степные и лесостепные территории Восточной Европы, Урала, Средней Азии и юга Западной Сибири (Евдокимов, 2001). Норы они роют резцами. В летние месяцы слепушонки питаются подземными частями растений, которые добывают, прокладывая многометровые туннели. Фуражировочное рытье направлено не только на обеспечение текущих энергетических и субстратных запросов, но и на создание кормовых запасов, которые позволяют им, не впадая в спячку, дожить до следующей весны (Petrovski et al., 2010), а на севере ареала -зачать и выносить первую сезонную генерацию потомков (Moshkin et al., 2007).
В данной работе методом магнитно-резонансной томографии (МРТ) были получены виртуальные "срезы" носов мышей и обыкновенных слепушонок, а также показана возможность поступления ионов марганца (из MnCl2) и на-ночастиц гидратированного оксида марганца MnO • (H2O)x из носовой полости в головной мозг. На основе томографических изображений были произведены трехмерные реконструкции носовых полостей, использованные для численного моделирования видовых особенностей аэродинамики. Граничные значения частоты и глубины дыхания были получены методом плетизмографической
респирометрии. Численное моделирование показало, что осаждение вдыхаемых частиц на всей поверхности носовых ходов выше у обыкновенной слепушонки, а на поверхности обонятельного эпителия, наоборот, у домовой мыши. Эффективность аэродинамической защиты мозга от накопления наночастиц обоснована экспериментами с ингаляцией магнитно-контрастных нано-размерных аэрозолей. Таким образом, эволюция в среде с высоким содержанием пыли формирует геометрию носовых ходов, обеспечивающую эффективную защиту и легких, и головного мозга.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Объекты исследования
В работе использованы самцы лабораторных мышей инбредной линии C57Bl/6j в возрасте 12-14 нед (28-32 г), полученные из Центра коллективного пользования "SPF-виварий" ИЦиГ СО РАН. После отсадки в 3-недельном возрасте и до исследований мышей содержали группами по пять особей одного пола в стандартных клетках (35 х 25 х 12 см) при температуре 22-24 °С и искусственном световом режиме 12С : 12Т. Брикетированный корм ("Чара", Павловский Посад) и воду мыши получали ad libitum. В качестве подстилочного материала применяли обеспыленные древесные опилки.
Обыкновенные слепушонки обоего пола были отловлены в мае-июне и в октябре 2012 г. в окрестностях г. Новосибирска. В работе использованы половозрелые животные с массой тела 46-65 г, что соответствует возрасту не менее 20 нед (Евдокимов, 2001). Для отлова использовали модифицированные ловушки Голова (Евдокимов, 2001), представляющие собой спирали, близкие по размеру к диаметру фуражировочных ходов (~ 40 мм). Более детально методика описана в наших предыдущих статьях (Moshkin et al., 2007; Petrovski et al., 2010). До проведения исследований животных содержали в течение 1-2 нед семейными группами в садках из нержавеющей стали. Морковь и брикетированный корм ("Чара", Павловский Посад) животные получали без
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.