ОБОГАЩЕНИЕ НЕОРГАНИЧЕСКОГО АНАЛОГА МАРСИАНСКОЙ ПЫЛИ НОВЕЙШИМИ КАРБОНОВЫМИ НАНОЧАСТИЦАМИ, ПОЛУЧЕННЫМИ ПРИ СГОРАНИИ КАРБОГИДРАТОВ, И ОЦЕНКА ЕГО НЕЙРОТОКСИЧНОСТИ

Рубрика: 
Науки о жизни в космосе
Позднякова, НГ, Пастухов, АО, Дударенко, МВ, Галкин, МА, Сивко, РВ, Крысанова, НВ, Борисова, ТА
Косм. наука технол. 2018, 24 ;(2):60-71
https://doi.org/10.15407/knit2018.02.060
Язык публикации: Украинский
Аннотация: 
В настоящее время выяснение механизмов нарушения функционирования мозга в условиях длительных пило- тируемых космических миссий является приоритетным направлением исследования международных научных групп и актуальной задачей современной космической биологии. Игнорирование соответствующих проблем функционирования нервной системы сделает невоз- можным дальнейшие длительные межпланетные косми- ческие миссии. Одной из возможных причин нарушений функционирования мозга может быть токсическое воздействие планетарной и межзвездной пыли, состав и свойства которой, а также влияние на здоровье человека, в частности нейротоксическое действие, недостаточно исследованы.Углерод широко распространен в марсиан- ской пыли и межзвездном пространстве и входит в состав метеоритов.
            В рамках данного исследования неоргани- ческий аналог марсианской пыли (МП) (JSC, «Mars-1A», ORBITEC Orbital Technologies Corporation, Мэдисон, штат Висконсин, США) был обогащен в разном коли- честве карбоновыми наночастицами (КНЧ), синтезиро- ванными при сгорании карбогидратов. МП, обогащен- ный КНЧ (КНЧ-МП), деполяризует плазматическую мембрану нервных терминалей головного мозга крыс, что показано методом флуориметрии с использованием флуоресцентного зонда родамина 6G. Увеличение содержания карбоновой составляющей КНЧ-МП сопровождается ростом деполяризации мембраны. КНЧ-МП существенно снижает начальную скорость накопления и увеличивает внеклеточный уровень нейромедиаторов L-[14С]глутамата и [3Н]ГАМК (-аминомасляной кис- лоты) в нервных терминалях. Увеличение содержания КНЧ в составе КНЧ-МП сопровождается более существенным уменьшением начальной скорости накопления нейромедиаторов и ростом их внеклеточного уровня. То есть, нейротоксический эффект КНЧ-МП связан исключительно с активностью КНЧ, а не с действием его неорганической составляющей. Снижение концентрации КНЧ в составе пыли приводит к снижению его нейротоксичности.
Ключевые слова: L-[14С]глутамат, [3Н]ГАМК; синаптосомы, аналог марсианской пыли; карбоновые наночастицы, мембранный потенциал, нервные терминали головного мозга.
Полный текст (PDF)
References: 
 1. Abbott N. J. Inflammatory mediators and modulation of blood-brain barrier permeability // Cell. Mol. Neurobiol. — 2000. — 2. — Р. 131—147.
2. Allamandola L. J., Sandford S. A., Wopenka B. Interstellar polycyclic aromatic hydrocarbons and carbon in interplanetary dust particles and meteorites // Science. — 1987. — 4810. — P. 56—59.
3. Bhunia S. K., Saha A., Maity A. R., et al. Carbon nanoparticle-based fluorescent bioimaging probes // Sci. Rep. — 2013. — 1. — P. 1473.
4. Borisova T., Dekaliuk M., Pozdnyakova N., et al. Harmful impact on presynaptic glutamate and gaba transport by carbon dots synthesized from sulfur-containing carbohydrate precursor // Environ. Sci. Pollut. Res. — 2017. — 21. — P. 17688—17700.
5. Borisova T., Krisanova N., Sivko R., Borysov A. Cholesterol depletion attenuates tonic release but increases the ambient level of glutamate in rat brain synaptosomes // Neurochem. Int. — 2010. — 3. — P. 466—478.
6. Borisova T., Nazarova A., Dekaliuk M., et al. Neuromodulatory properties of fluorescent carbon dots: effect on exocytotic release, uptake and ambient level of glutamate and gaba in brain nerve terminals // Int. J. Biochem. Cell Biol. — 2015. — P. 203—215.
7. Bourdon J. A., Saber A. T., Jacobsen N. R., et al. Carbon black nanoparticle instillation induces sustained inflammation and genotoxicity in mouse lung and liver // Part. Fibre Toxicol. — 2012. — 1. — P. 5.
8. Cao L., Wang X., Meziani M. J., et al. Carbon dots for multiphoton bioimaging // J. Amer. Chem. Soc. — 2007. — 37. — P. 11318—11319.
9. Chandra S., Pathan S. H., Mitra S., et al. Tuning of photoluminescence on different surface functionalized carbon quantum dots // RSC Adv. — 2012. — 9. — P. 3602.
10. Chatterjee A., Wang A., Lera M., Bhattacharya S. Lunar soil simulant uptake produces a concentration-dependent increase in inducible nitric oxide synthase expression in murine raw 264.7 macrophage cells // J. Toxicol. Environ. Heal. Part A. — 2010. — 9. —P. 623—626.
11. Cotman C. W. Isolation of synaptosomal and synaptic plasma membrane fractions // Methods Enzymol. — 1974. — P. 445—452.
12. Danbolt N. C. Glutamate uptake // Prog. Neurobiol. — 2001. — 1. — P. 1—105.
13. Demchenko A. P., Dekaliuk M. O. Novel fluorescent carbonic nanomaterials for sensing and imaging // Methods Appl. Fluoresc. — 2013. — 4. — P. 42001.
14. Dorcčna C. J., Olesik K. M., Wetta O. G., Winter J. O. Characterization and toxicity of carbon dot-poly(lactic-coglycolic acid) nanocomposites for biomedical imaging // Nano Life. — 2013. — 1. — P. 1340002.
15. Esteves da Silva J. C. G., Gonçalves H. M. R. Analytical and bioanalytical applications of carbon dots // TrAC Trends Anal. Chem. — 2011. — 8. — P. 1327—1336.
16. Genc S., Zadeoglulari Z., Fuss S. H., Genc K. The adverse effects of air pollution on the nervous system // J. Toxicol. — 2012. — P. 782462.
17. Jiang J., He Y., Li S., Cui H. Amino acids as the source for producing carbon nanodots: microwave assisted one-step synthesis, intrinsic photoluminescence property and intense chemiluminescence enhancement // Chem. Commun. (Camb). — 2012. — 77. — P. 9634— 9636.
18. Kao Y.-Y., Cheng T.-J., Yang D.-M., et al. Demonstration of an olfactory bulb-brain translocation pathway for zno nanoparticles in rodent cells in vitro and in vivo // J. Mol. Neurosci. — 2012. — 2. — P. 464—471.
19. Lam C.-W., James J. T., Latch J. N., et al. Pulmonary toxicity of simulated lunar and martian dusts in mice: ii. biomarkers of acute responses after intratracheal instillation // Inhal. Toxicol. — 2002. — 9. — P. 917— 928.
20. Lam C.-W., James J. T., McCluskey R., et al. Pulmonary toxicity of simulated lunar and martian dusts in mice: i. histopathology 7 and 90 days after intratracheal instillation // Inhal. Toxicol .— 2002. — 9. — P. 901—916.
21. Larson E., Howlett B., Jagendorf A. Artificial reductant enhancement of the lowry method for protein determination // Anal. Biochem. — 1986. — 2. — P. 243—248.
22. Li H., Kang Z., Liu Y., et al. Carbon nanodots: synthesis, properties and applications // J. Mater. Chem .— 2012. — 46. — P. 24230.
23. Linnarsson D., Carpenter J., Fubini B., et al. Toxicity of lunar dust // Planet. Space Sci.—2012. — 1. — P. 57—71.
24. Luo P. G., Sahu S., Yang S.-T., et al. Carbon “quantum” dots for optical bioimaging // J. Mater. Chem. B. — 2013. — 16. — P. 2116.
25. Mikawa M., Kato H., Okumura M., et al. Paramagnetic water-soluble metallofullerenes having the highest relaxivity for mri contrast agents // Bioconjug. Chem. — 2001. — 4. — P. 510—514.
26. Oberdörster G., Sharp Z., Atudorei V., et al. Extrapulmonary translocation of ultrafine carbon particles following whole-body inhalation exposure of rats // J. Toxicol. Environ. Heal. Part A. — 2002. — 20. — P. 1531—1543.
27. Rehders M., Grosshöuser B. B., Smarandache A., et al. Effects of lunar and mars dust simulants on hacat keratinocytes and cho-k1 fibroblasts // Adv. Sp. Res. — 2011. — 7. — P. 1200—1213.
28. Roberts D. R., Albrecht M. H., Collins H. R., et al. Effects of spaceflight on astronaut brain structure as indicated on mri // N. Engl. J. Med. — 2017. — 18. — P. 1746— 1753.
29. Sun Y.-P., Zhou B., Lin Y., et al. Quantum-sized carbon dots for bright and colorful photoluminescence // J. Amer. Chem. Soc . — 2006. — 24. — P. 7756—7757.
30. Tao H., Yang K., Ma Z., et al. In vivo nir fluorescence imaging, biodistribution, and toxicology of photoluminescent carbon dots produced from carbon nanotubes and graphite // Small. — 2012. — 2. — P. 281—90.
31. Wallace W. T., Taylor L. A., Liu Y., et al. Lunar dust and lunar simulant activation and monitoring // Meteorit. Planet. Sci. — 2009. — 7. — P. 961–970.
32. Wang X., Qu K., Xu B., et al. Microwave assisted one-step green synthesis of cell-permeable multicolor photoluminescent carbon dots without surface passivation reagents // J. Mater. Chem. — 2011. — 8. — P. 2445.
33. Zhai X., Zhang P., Liu C., et al. Highly luminescent carbon nanodots by microwave-assisted pyrolysis // Chem. Commun. — 2012. — 64. — P. 7955.