Влияние наночастиц свинца на экспрессию генов глутаматного рецептора NMDA и поведенческие реакции у крыс породы Wistar

Введение. Промышленное загрязнение воздуха рабочей зоны и окружающей среды наночастицами оксида свинца (НЧ PbO) представляет реальную угрозу возникновения и развития нейродегенеративных заболеваний у рабочих свинцовых и медеплавильных производств, а также у населения, проживающего вблизи этих предприятий. Различные исследования указывают на участие экспрессии рецептора N-метил-D-аспартата (NMDA) в механизмах токсичности свинца.

Материалы и методы. В течение двух месяцев аутбредные самки крыс подвергались воздействию наночастиц свинца (НЧ PbO) с концентрацией 0,2 мг/м³ в ингаляционной установке типа «только нос». Поведенческие реакции крыс оценивали в тестах «открытое поле» и «приподнятый крестообразный лабиринт». Количественную экспрессию генов рецептора NMDA (GRIN1, GRIN2A, GRIN2B) в гиппокампе крыс оценивали методом ПЦР в режиме реального времени. Статистический анализ данных проводили с помощью U-критерия Манна–Уитни.

Результаты. Нейротоксический эффект НЧ PbO проявлялся в подавлении экспрессии гена GRIN2A в гиппокампе крыс опытной группы. Экспрессия гена GRIN1 у крыс также показала тенденцию к снижению под влиянием НЧ PbO, а экспрессия гена GRIN2B не изменялась. Результаты теста «открытое поле» не выявили различий между опытной и контрольной группами крыс. Анализ поведенческих реакций в тесте «приподнятый крестообразный лабиринт» выявил достоверное снижение у крыс из опытной группы количества выглядываний из тёмных рукавов лабиринта.

Ограничения исследования. Данная работа была выполнена на самках крыс породы Wistar и не учитывает возможных межполовых различий.

Заключение. Результаты эксперимента продемонстрировали нейротоксическое действие НЧ PbO, которое выражалось в подавлении уровня экспрессии гена GRIN2A рецептора NMDA и в снижении количества выглядываний в тесте «приподнятый крестообразный лабиринт».

Соблюдение этических стандартов. Заключение локального этического комитета ФБУН ЕМНЦ ПОЗРПП Роспотребнадзора: содержание, питание, уход за животными и выведение их из эксперимента осуществляли в соответствии с требованиями Хельсинкской декларации и «International guiding principles for biomedical research involving animals», разработанными the Council for International Organizations of Medical Sciences and the International Council for Laboratory Animal Science (2012). Исследования были одобрены локальным этическим комитетом ФБУН ЕМНЦ ПОЗРПП Роспотребнадзора (протокол № 4 от 12.07.2022 г.).

Участие авторов:
Амромина А.М. — сбор материала и обработка данных, статистическая обработка, написание текста, редактирование;
Шаихова Д.Р. — сбор материала и обработка данных, написание текста, редактирование;
Берёза И.А. — сбор материала и обработка данных, написание текста, редактирование;
Тажигулова А.В. — сбор материала, редактирование;
Минигалиева И.А. — концепция и дизайн исследования, редактирование;
Соловьева С.Н. — сбор материала, редактирование;
Бутакова И.В. — обработка данных, редактирование;
Гурвич В.Б. — концепция и дизайн исследования;
Сутункова М.П. — концепция и дизайн исследования.
Все соавторы — утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов в связи с публикацией данной статьи.

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.

Поступила: 11.10.2022 / Принята к печати: 08.12.2022 / Опубликована: 12.01.2023

1. Dumková J., Smutná T., Vrlíková L., Le Coustumer P., Večeřa Z., Dočekal B., et al. Sub-chronic inhalation of lead oxide nanoparticles revealed their broad distribution and tissue-specific subcellular localization in target organs. Part. Fibre Toxicol. 2017; 14(1): 55. https://doi.org/10.1186/s12989-017-0236-y

2. Sutunkova M.P., Solovyeva S.N., Chernyshov I.N., Klinova S.V., Gurvich V.B., Shur V.Ya., et al. Manifestation of systemic toxicity in rats after a short-time inhalation of lead oxide nanoparticles.Int. J. Mol. Sci. 2020; 21(3): 690. https://doi.org/10.3390/ijms21030690

3. Wani A.L., Ara A., Usmani J.A. Lead toxicity: a review.Interdiscip. Toxicol. 2015; 8(2): 55-64. https://doi.org/10.1515/intox-2015-0009

4. Xu J., Yan H.C., Yang B., Tong L.S., Zou Y.X., Tian Y. Effects of lead exposure on hippocampal metabotropic glutamate receptor subtype 3 and 7 in developmental rats. J. Negat. Results Biomed. 2009; 8: 5. https://doi.org/10.1186/1477-5751-8-5

5. Rocha A., Trujillo K.A. Neurotoxicity of low-level lead exposure: History, mechanisms of action, and behavioral effects in humans and preclinical models. Neurotoxicology. 2019; 73: 58-80. https://doi.org/10.1016/j.neuro.2019.02.021

6. Neal A.P., Guilarte T.R. Molecular neurobiology of lead (Pb(2+)): effects on synaptic function. Mol. Neurobiol. 2010; 42(3): 151-60. https://doi.org/10.1007/s12035-010-8146-0

7. Lau C.G., Zukin R.S. NMDA receptor trafficking in synaptic plasticity and neuropsychiatric disorders. Nat. Rev. Neurosci. 2007; 8(6): 413-26. https://doi.org/10.1038/nrn2153

8. Mony L., Kew J.N., Gunthorpe M.J., Paoletti P. Allosteric modulators of NR2B-containing NMDA receptors: Molecular mechanisms and therapeutic potential. Br. J. Pharmacol. 2009; 157(8): 1301-17. https://doi.org/10.1111/j.1476-5381.2009.00304.x

9. Endele S., Rosenberger G., Geider K., Popp B., Tamer C., Stefanova I., et al. Mutations in GRIN2A and GRIN2B encoding regulatory subunits of NMDA receptors cause variable neurodevelopmental phenotypes. Nat. Genet. 2010; 42(11): 1021-6. https://doi.org/10.1038/ng.677

10. Ramos A., Pereira E., Martins G.C., Wehrmeister T.D., Izídio G.S.Integrating the open field, elevated plus maze and light/dark box to assess different types of emotional behaviors in one single trial. Behav. Brain Res. 2008; 193(2): 277-88. https://doi.org/10.1016/j.bbr.2008.06.007

11. Livak K.J., Schmittgen T.D. Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2(-Delta Delta C(T)) method. Methods. 2001; 25(4): 402-8. https://doi.org/10.1006/meth.2001.1262

12. Трофимов А.Н., Ротов А.Ю., Вениаминова Е.А., Фомалонт К., Шварц А.П., Зубарева О.Е. Изменение поведения и экспрессии генов ионотропных рецепторов глутамата в мозге взрослых крыс после неонатальных введений бактериального липополисахарида. Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 2020; 106(3): 356-72. https://doi.org/10.31857/S0869813920030097

13. Hansen K.B., Yi F., Perszyk R.E., Furukawa H., Wollmuth L.P., Gibb A.J., et al. Structure, function, and allosteric modulation of NMDA receptors. J. Gen. Physiol. 2018; 150(8): 1081-105. https://doi.org/10.1085/jgp.201812032

14. Traynelis S.F., Wollmuth L.P., McBain C.J., Menniti F.S., Vance K.M., Ogden K.K., et al. Glutamate receptor ion channels: structure, regulation, and function. Pharmacol. Rev. 2010; 62(3): 405-96. https://doi.org/10.1124/pr.109.002451

15. Monyer H., Burnashev N., Laurie D.J., Sakmann B., Seeburg P.H. Developmental and regional expression in the rat brain and functional properties of four NMDA receptors. Neuron. 1994; 12(3): 529-40. https://doi.org/10.1016/0896-6273(94)90210-0

16. Wu Y., Wang Y., Wang M., Sun N., Li C. GRIN2A polymorphisms and expression levels are associated with lead-induced neurotoxicity. Toxicol. Ind. Health. 2016; 33(4): 332-39. https://doi.org/10.1177/0748233716647636

17. Wang T., Guan R.L., Liu M.C., Shen X.F., Chen J.Y., Zhao M.G., et al. Lead exposure impairs hippocampus related learning and memory by altering synaptic plasticity and morphology during juvenile period. Mol. Neurobiol. 2016; 53(6): 3740-52. https://doi.org/10.1007/s12035-015-9312-1

18. Zhu X., Liu X., Wei F., Wang F., Merzenich M.M., Schreiner C.E., et al. Perceptual training restores impaired cortical temporal processing due to lead exposure. Cereb. Cortex. 2016; 26(1): 334-45. https://doi.org/10.1093/cercor/bhu258

19. Кацнельсон Б.А., Привалова Л.И., Дегтярева Т.Д., Кузьмин С.В., Сутункова М.П., Mинигалиева И.А. и др. К сравнительной характеристике токсичности и опасности частиц разного размера в нанои микрометровом диапазонах. Здоровье населения и среда обитания - ЗНиСО. 2011; (5): 32-6

20. Gavazzo P., Zanardi I., Baranowska-Bosiacka I., Marchetti C. Molecular determinants of Pb2+ interaction with NMDA receptor channels. Neurochem.Int. 2008; 52(1-2): 329-37. https://doi.org/10.1016/j.neuint.2007.07.003

21. Forrest D., Yuzaki M., Soares H.D., Ng L., Luk D.C., Sheng M., et al. Targeted disruption of NMDAR receptor 1 gene abolishes NMDA response and results in neonatal death. Neuron. 1994; 13(2): 325-38. https://doi.org/10.1016/0896-6273(94)90350-6

22. Tang Y.P., Shimizu E., Dube G.R., Rampon C., Kerchner G.A., Zhuo M., et al. Genetic enhancement of learning and memory in mice. Nature. 1999; 401(6748): 63-9. https://doi.org/10.1038/43432

23. Zhou Q., Sheng M. NMDA receptors in nervous system diseases. Neuropharmacology. 2013; 74: 69-75. https://doi.org/10.1016/j.neuropharm.2013.03.030

24. Tartaglione A.M., Serafini M.M., Raggi A., Iacoponi F., Zianni E., Scalfari A., et al. Sex-dependent effects of developmental lead exposure in Wistar rats: evidence from behavioral and molecular correlates.Int. J. Mol. Sci. 2020; 21(8): 2664. https://doi.org/10.3390/ijms21082664

25. Kazlauckas V., Schuh J., Dall’Igna O.P., Pereira G.S., Bonan C.D., Lara D.R. Behavioral and cognitive profile of mice with high and low exploratory phenotypes. Behav. Brain Res. 2005; 162(2): 272-8. https://doi.org/10.1016/j.bbr.2005.03.021

26. Griffin A.S., Guillette L.M., Healy S.D. Cognition and personality: an analysis of an emerging field. Trends Ecol. Evol. 2015; 30(4): 207-14. https://doi.org/10.1016/j.tree.2015.01.012

27. Шилова О.Б., Маркина Н.В., Перепелкина О.В., Гиченок И.В., Корочкин Л.И., Полетаева И.И. Неонатальные инъекции препарата семакс и физиологического раствора вызывают изменения поведения взрослых мышей разных генотипов в тесте «открытое поле». Журнал высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова. 2004; 54(6): 785-94.

28. Богданова С.А., Фролова Г.А. Влияние фармакологического стимулирования активности дофаминергической системы «депренилом» на поведение низкотревожных крыс. В кн.: Донецкие чтения 2019: образование, наука, инновации, культура и вызовы современности: материалы IV Международной научной конференции. Донецк; 2019: 364-6.

29. Павлова И.В., Рысакова М.П. Проявление тревожности крыс Вистар при выработке условнорефлекторного страха. Журнал высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова. 2015; 65(6): 720. https://doi.org/10.7868/S0044467715050123

30. Kraeuter A.K., Guest P.C., Sarnyai Z. The elevated plus maze test for measuring anxiety-like behavior in rodents. Methods Mol. Biol. 2019; 1916: 69-74. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-8994-2_4