Нанопластик вызывает аномальный рост ветвей в нейронах

Фото из открытых источников

Крошечные кусочки пластика могут проникать в клетки головного мозга и изменять их физическое развитие, при этом наиболее заметные изменения вызывают самые мелкие частицы. Новое исследование показывает, что, хотя низкие уровни микроскопических частиц полистирола не убивают клетки головного мозга и не препятствуют их взаимодействию, частицы размером всего 50 нанометров в ширину вызывают аномально длинный рост ветвей нервных клеток. Эти результаты были опубликованы в журнале NanoImpact, поднимая новые вопросы о том, как загрязнение окружающей среды пластиком может влиять на неврологическое здоровье с течением времени.

Мировое производство пластика продолжает расти с каждым годом, образуя огромные объемы отходов, которые в конечном итоге распадаются на микроскопические фрагменты. Эти фрагменты могут попадать в организм человека через воду, которую мы пьем, пищу, которую мы едим, и воздух, которым мы дышим. Оказавшись внутри, эти крошечные частицы перемещаются по кровотоку и могут оседать в различных органах, включая легкие, печень и почки.

Недавние исследования показали, что частицы пластика также могут преодолевать гематоэнцефалический барьер. Этот барьер представляет собой высокоизбирательную границу клеток, которая обычно защищает мозг от вредных веществ, циркулирующих в крови. Обнаружение пластика в тканях мозга вызвало широкую обеспокоенность по поводу потенциальных неврологических рисков. Это открытие побудило исследователей изучить, как именно эти синтетические материалы взаимодействуют с чувствительными клетками мозга.

В большинстве предыдущих лабораторных исследований токсичности пластика использовались исключительно высокие дозы или крупные частицы пластика. Ученые часто тестировали эти огромные дозы на устойчивых, бессмертных линиях раковых клеток, а не на нормальной ткани мозга. Такой подход оставлял большой пробел в нашем понимании того, как реальные количества мелкого пластика могут влиять на здоровые, развивающиеся нейронные сети головного мозга. Чтобы восполнить этот пробел, группа исследователей из Университета Восточной Финляндии разработала эксперимент по наблюдению за воздействием низких доз микроскопического пластика на высокочувствительные клетки головного мозга.

Исследование возглавила Вероника Горова из Института молекулярных наук им. А.И. Виртанена Университета Восточной Финляндии. Горова и ее коллеги сосредоточили свои усилия на понимании того, как сам физический размер фрагмента пластика влияет на его биологическое воздействие. Они предположили, что более мелкие частицы будут легче поглощаться клетками, что приведет к более выраженным биологическим изменениям, чем их более крупные аналоги.

Исследователи решили изучить первичные кортикальные нейроны — специализированные клетки, взятые непосредственно из внешнего слоя головного мозга эмбриональных мышей. Нейроны являются основными проводниками сигналов нервной системы, используя электрические и химические сигналы для обработки информации и управления организмом. Используя свежие клетки, а не бессмертные лабораторные штаммы, команда создала модель, которая более точно имитирует реакцию живого мозга на чужеродные вещества.

Чтобы проверить свою гипотезу, команда подвергла эти нейроны воздействию крошечных сфер из полистирола — очень распространенного типа пластика, используемого во всем, от упаковки продуктов питания до теплоизоляции зданий. Они использовали частицы трех чрезвычайно малых размеров: 50 нанометров, 100 нанометров и 250 нанометров в диаметре. Для сравнения, толщина человеческого волоса составляет примерно от 80 000 до 100 000 нанометров, что делает даже самые крупные из протестированных пластиков совершенно невидимыми невооруженным глазом.

Нейроны были погружены в жидкость, содержащую эти пластиковые сферы, на 24 часа. Исследователи намеренно поддерживали низкую концентрацию пластика. Они хотели имитировать более реалистичное воздействие окружающей среды и наблюдать за незначительными изменениями в клетках, а не просто отравлять нейроны чрезмерным количеством чужеродного материала.

После периода воздействия команда использовала современные микроскопы для изучения внутренней структуры нейронов. Им удалось наблюдать за накоплением 250-нанометровых кусочков пластика внутри клеток головного мозга. Команда отметила, что по мере увеличения концентрации пластика в окружающей жидкости увеличивалось и количество пластика, поглощаемого клетками.

Микроскопы, использованные в исследовании, не могли четко визуализировать фрагменты размером 50 нанометров из-за их невероятно малого размера. Однако исследователи предположили, что эти крошечные частицы также проникают в клетки. Чтобы определить, наносят ли пластик вред выживанию нейронов, исследователи провели тест для измерения метаболического состояния клеток.

Они обнаружили, что эти низкие дозы не нарушали основные функции выживания или метаболизма нейронов. Клетки продолжали нормально перерабатывать энергию, не проявляя признаков отмирания. Только когда исследователи применили чрезвычайно высокие дозы пластика, значительно превышающие запланированный диапазон испытаний, нейроны начали проявлять признаки повреждения и снижения выживаемости.

Затем команда исследовала, влияют ли крошечные пластиковые частицы на физическую форму клеток. Нейроны отращивают длинные тонкие отростки, называемые нейритами, которые в конечном итоге становятся проводниками, соединяющими различные части мозга. Правильный рост нейритов является важной частью развития мозга и обучения.

Используя специализированное программное обеспечение для обработки изображений, исследователи измерили длину этих ветвей после воздействия пластика. Они обнаружили, что нейроны, подвергшиеся воздействию пластика размером 50 нанометров, отращивали более длинные ветви, чем те, которые подвергались воздействию прозрачной жидкости. Клетки, подвергшиеся воздействию более крупного пластика размером 100 и 250 нанометров, не демонстрировали этого аномального удлинения ветвей.

Чтобы понять, что происходит на более глубоком уровне, команда исследовала нейрональный транскриптом. Транскриптом — это полный набор генетических инструкций, или молекул РНК, которые клетка активно считывает и использует в любой момент времени. Изучая эти инструкции, ученые могут определить, какие гены клетка включает или выключает в ответ на стресс.

Генетический анализ выявил незначительные изменения в клетках, подвергшихся воздействию пластика толщиной 50 нанометров. Исследователи обнаружили изменения в активности генов, контролирующих рост нервных ветвей и развитие клеток. Например, специфический ген, связанный с удлинением нервных ветвей, функционирование которого зависит от кальция, оказался высокоактивным. Этот генетический сдвиг совпал с физическим удлинением ветвей, которое они наблюдали под микроскопом.

Напротив, более крупные пластиковые частицы размером 250 нанометров не вызывали подобных генетических изменений. «Важно понимать, что имеет значение не только концентрация и материал, но и размер частиц», — сказала Горова. «С уменьшением размера наночастиц мы наблюдали более выраженные, хотя и относительно незначительные изменения».

Наконец, учёные проверили, не нарушают ли пластики электрическую связь между нейронами. Они поместили клетки на микроскопические сенсорные пластины, способные обнаруживать крошечные электрические искры, которые нейроны используют для общения друг с другом. После наблюдения за клетками в течение целого дня после воздействия пластика команда не обнаружила никаких изменений в частоте импульсации или силе электрических сигналов.

Результаты электрических тестов не показали статистически значимых различий, что означает, что пластик не оказал существенного влияния на способность клеток к коммуникации. Клетки мозга продолжали нормально взаимодействовать, несмотря на присутствие инородного материала. Это говорит о том, что, хотя мельчайшие частицы пластика изменяют физическую структуру и генетические сигналы клеток, они не приводят к немедленному отключению основной электрической сети мозга.

Хотя это исследование подробно рассматривает взаимодействие микроскопических частиц пластика с отдельными клетками мозга, исследователи отметили ряд ограничений своей работы. Эксперимент включал выращивание изолированных нервных клеток в чашке Петри, в которой отсутствуют защитные барьеры и сложные взаимодействия, характерные для полноценного живого мозга. Человеческий мозг содержит множество типов вспомогательных клеток, которые могут помогать удалять инородные материалы или по-разному реагировать на пластик.

Кроме того, воздействие в лабораторных условиях длилось всего 24 часа. В реальном мире люди и животные подвергаются непрерывному, пожизненному воздействию пластика из окружающей среды. Исследователи отмечают, что кратковременное воздействие в лабораторных условиях не может в полной мере воспроизвести кумулятивный эффект десятилетий накопления пластика в организме человека.

Исследовательская группа также полностью сосредоточилась на полистироле. Хотя полистирол является широко изучаемым материалом, это лишь один из многих видов пластика, загрязняющих окружающую среду. В будущих исследованиях необходимо будет протестировать другие распространенные материалы, такие как полиэтилен, чтобы выяснить, вызывают ли различные химические соединения различные реакции в нервных клетках.

Исследователи планируют продолжить изучение того, как эти материалы влияют на неврологическое здоровье в течение более длительных периодов времени. «В будущем было бы интересно изучить эффекты с помощью более сложных моделей и длительного воздействия, чтобы приблизиться к реальной ситуации», — сказала Горова. Постепенно создавая более реалистичные модели, научное сообщество надеется в конечном итоге определить истинный риск, который повседневное загрязнение пластиком представляет для развивающегося человеческого мозга. 

* Информация представлена исключительно в ознакомительных целях и не служит рекомендацией для лечения заболеваний