Группа учёных из Центра генетических ресурсов лабораторных животных ИЦИГ СО РАН и Биологического института ТГУ установила путь, по которому наночастицы вирусов, а также органических и неорганических веществ из окружающей среды проникают в головной мозг. Наряду с этим исследователи нашли простой и незатратный способ блокировать их поступление.

Полученные данные позволят защитить человека от нежелательного воздействия и могут сыграть большую роль в медицине и фармацевтике, где наночастицы всё чаще используются для диагностики и лечения серьёзных заболеваний.

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).

Российские исследователи решили выяснить, каким образом наночастицы попадают в организм людей. 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.

Наряду с этим установлено, что частицы, двигаясь внутри нервного волокна, могут проходить через синапсы, связывающие между собой различные нейроны. Как выяснилось, 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.