Les effets des nanotubes de carbone multi-parois inhalés sur la pression artérielle et la fonction cardiaque

Contexte

Avec une large application industrielle potentielle et une production croissante, le risque d'exposition aux nanomatériaux a augmenté dans de nombreux secteurs industriels. Par conséquent, les effets néfastes sur la santé de l'exposition aux nanomatériaux ont reçu une grande attention. Des études animales ont indiqué qu'une exposition pulmonaire à court terme à des nanoparticules manufacturées peut provoquer une réaction inflammatoire sévère ou mineure dans les poumons en fonction des propriétés physiques et chimiques du nanomatériau testé. De plus, l'exposition pulmonaire aux nanotubes de carbone (CNT) a été liée à la fibrose pulmonaire et à la promotion du cancer [1,2,3,4,5]. Bien que l'accent mis récemment sur l'exposition professionnelle aux nanomatériaux se soit concentré davantage sur les maladies pulmonaires et la cancérogenèse et moins sur le système cardiovasculaire, les preuves provenant d'études épidémiologiques et animales récentes indiquent fortement que l'exposition pulmonaire aux nanomatériaux peut affecter le système cardiovasculaire par l'inflammation, la translocation induite par les nanoparticules , et/ou la régulation neuronale [6,7,8,9]. Nos études ont montré que les nanoparticules de dioxyde de titane ultrafin (UFTiO₂ ( ANS) [10]. En outre, nous avons également signalé précédemment que l'exposition directe de cardiomyocytes isolés à l'UFTiO₂ n'a pas modifié l'activité biologique des cardiomyocytes [11]. Ensemble, nos études suggèrent fortement que certains nanomatériaux, à des doses qui présentent un effet aigu mineur dans le poumon, affectent le système cardiovasculaire en influençant le système neuronal plutôt que par la translocation directe des nanoparticules vers le cœur.

Le SNA joue un rôle essentiel dans le maintien d'une fonction cardiovasculaire normale. Une perturbation du SNA peut entraîner des troubles fonctionnels du système cardiovasculaire, pouvant entraîner une hypertension, un accident vasculaire cérébral ou une arythmie cardiaque [12,13,14,15]. Des études épidémiologiques ont confirmé le potentiel des nanoparticules inhalées à induire des séquelles cardiovasculaires. Par exemple, l'inhalation de particules de pollution atmosphérique pendant quelques heures seulement a augmenté la mortalité et la morbidité liées aux maladies cardiovasculaires en modifiant l'équilibre du SNA chez les personnes, en particulier celles souffrant de maladies cardiovasculaires préexistantes [16]. Des études épidémiologiques indiquent également que les particules ultrafines (PUF) peuvent contribuer de manière significative aux effets cardiovasculaires de la pollution atmosphérique particulaire, en partie à cause du dépôt alvéolaire relativement plus efficace de PUF par rapport aux particules fines [17]. Les plus grosses particules en suspension dans l'air qui se déposent dans les voies aériennes conductrices peuvent être éliminées rapidement par l'escalier mucociliaire, un mécanisme majeur pour la clairance pulmonaire. Cependant, des particules de taille nanométrique peuvent contourner ce premier système de défense, pénétrer profondément dans la trachée et le poumon pour stimuler de manière persistante les terminaisons neuronales sensorielles. Nous avons démontré précédemment que les MWCNT inhalés modifiaient significativement la variabilité de la fréquence cardiaque (VFC) [10]. La présente étude a utilisé un modèle de rat pour élucider davantage l'influence de l'exposition pulmonaire aux MWCNT sur la fonction du système cardiovasculaire et corréler ces altérations à l'activité du SNA.

Méthodes

Animal

Rats mâles Sprague-Dawley (Hla :(SD) CVF) de Hilltop Lab Animals (Scottdale, PA, États-Unis), pesant de 275 à 300 g et exempts d'agents pathogènes viraux, de parasites et de mycoplasmes, Helicobacter et respiratoires associées aux cils (CAR) bacillus ont été utilisés pour toutes les expériences. Les rats ont été acclimatés pendant 1 semaine après leur arrivée et logés dans des cages à dessus filtrant dans des conditions de température et d'humidité contrôlées et un cycle de lumière de 12 h/12 h d'obscurité. La nourriture (Teklad 7913) et l'eau du robinet étaient fournies à volonté. Les animaleries sont exemptes d'agents pathogènes spécifiques, contrôlées par l'environnement et accréditées par l'Association for Assessment and Accreditation of Laboratory Animal Care International (AAALAC). Toutes les procédures animales utilisées au cours de l'étude ont été examinées et approuvées par le comité de soins et d'utilisation des animaux de l'Institut national pour la sécurité et la santé au travail.

Exposition par inhalation pulmonaire MWCNT

Les MWCNT ont été obtenus auprès de Hodogaya Chemical Company (MWCNT-7, lot n° 061220-31). Des rats mâles Sprague-Dawley (250-300 g) ont été exposés à un aérosol MWCNT (5 mg/m ³ ) pendant 5 h. Les rats ont été placés individuellement dans des cages scellées qui ont été reliées à la chambre d'exposition principale (utilisée comme chambre de mélange pour cette étude) par un tube flexible antistatique. Des pompes d'échantillonnage d'air de base Gilian gilair-5 R (Sensidyne, St. Petersburg, FL 33716, États-Unis) ont été fixées aux cages scellées pour aspirer soit un aérosol de MWCNT de la chambre principale d'exposition/de mélange, soit de l'air filtré (groupe témoin) dans la cage scellée. à un débit de 1,25 l/min. La distribution granulométrique de la masse des particules de l'aérosol MWCNT dans la cage scellée a été déterminée par un impacteur en cascade (MOUDI, modèles 110 et 115, MSP Co., Shoreview, MN). La concentration massique de MWCNT a été déterminée par une analyse gravimétrique physique avec des filtres en Téflon. Le système de génération d'aérosol, la chambre d'exposition et la caractérisation physique de l'aérosol MWCNT ont été décrits ailleurs [10, 18, 19]. En utilisant une fraction de dépôt de 1,5 ou 2,7 % et une ventilation minute moyenne de 186 ml/min [5], la charge pulmonaire totale avec notre schéma d'exposition est calculée comme 5 mg/m ³ (concentration d'exposition) ×  186 ml/min (ventilation minute) ×  10 ^− 6 m ³ /ml (conversion de volume) ×  300 min (durée d'exposition) × 1,5 ou 2,7 % (fraction de dépôt alvéolaire), ce qui est approximativement égal à 4,2 ou 7,5 μg de MWCNT chez le rat. Il ne faut que 14 à 25 jours d'exposition pour atteindre la même charge pulmonaire si un travailleur est exposé aux MWCNT à un niveau de 40 μg/m ³ , qui est une exposition professionnelle humaine possible [19, 20].

Implantation d'un émetteur de télémétrie

Avant la chirurgie, les rats étaient gardés séparément, au calme et manipulés avec douceur pour éviter la détresse. Les instruments chirurgicaux et les fournitures ont été autoclavés et une technique aseptique a été utilisée tout au long de la procédure chirurgicale. L'anesthésie a été induite avec 3% d'isoflurane et 1 l par minute d'oxygène dans une chambre d'induction et maintenue à 2% d'isoflurane et ½ litre par minute d'oxygène pendant la chirurgie. Un coussin chauffant à température contrôlée a été utilisé pour maintenir la température corporelle normale des rats, qui a été surveillée via une sonde anale pendant toute la procédure. Les réponses cardiopulmonaires ont été examinées en tant que technique de surveillance peropératoire ainsi que les réflexes rachidiens pour déterminer la profondeur appropriée de l'anesthésie. Les sites d'incision ont été coupés puis préparés de manière aseptique avec de la povidone iodée, suivie d'alcool à 70 %. Une incision abdominale médiane a été pratiquée et l'aorte abdominale a été exposée à l'aide de cotons-tiges stériles. Le cathéter de pression de l'émetteur de télémétrie (HD-S21, Data Sciences International, St. Paul, MN) a été inséré dans l'aorte abdominale et guidé en amont. Un adhésif tissulaire (Vetbond, 3M Animal Care Products, St Paul, MN) a été utilisé pour fixer le cathéter et obtenir l'hémostase. Le corps du dispositif télémétrique a été placé sous la paroi abdominale sur le côté latéral gauche de l'incision et a été fixé en place en suturant le muscle abdominal à l'aide de sutures non résorbables 4-0 (Surgical Specialties Corporation, Wyomissing, PA). Les soins postopératoires comprenaient 5 mg/kg de méloxicam (Metacam, Boehringer Ingelheim Vetmedica, Inc. St. Joseph, MO) administrés par voie sous-cutanée pour soulager la douleur, une fois par jour pendant 4 jours. L'état général, le poids corporel et la consommation de nourriture et d'eau des rats ont été étroitement surveillés. Les rats ont eu une période de convalescence de 3 semaines avant l'acquisition des données et l'exposition par inhalation.

Mesures hémodynamiques in vivo

La fonction ventriculaire gauche en réponse à la dobutamine après exposition aux MWCNT a été évaluée par un cathéter à boucle pression-volume placé dans le ventricule gauche chez le rat anesthésié. À 1 et 7 jours après l'exposition, le rat a été anesthésié avec 3 % d'isoflurane avec 2 l par minute d'oxygène dans une chambre d'induction et maintenu à 1 à 2 % d'isoflurane avec 1 l par minute d'oxygène pendant la chirurgie. La réponse cardiopulmonaire (fréquence cardiaque, fréquence respiratoire et profondeur) et le réflexe rachidien de pincement des orteils ont été examinés en tant que techniques de surveillance peropératoire. La température corporelle normale a été maintenue par un coussin chauffant à température contrôlée et a été surveillée via une sonde anale pendant toute la procédure. Le rat a été placé en position couchée dorsale, et les sites d'incision ont été coupés puis préparés de manière aseptique avec de la povidone iodée, suivie d'alcool à 70 %. Le cathéter à boucle PV ultra-miniature Mikro-Tip® de Millar (SPR-901, Millar, Inc. Houston, TX) a été inséré dans le ventricule gauche par l'artère carotide. La position correcte de la pointe du cathéter dans le ventricule gauche a été confirmée par la forme d'onde de la boucle pression-volume visualisée sur un écran d'ordinateur. Après stabilisation pendant 20 min, les signaux de la fonction ventriculaire gauche ont été enregistrés en continu à une fréquence d'échantillonnage de 1000 échantillons/s à l'aide d'un système de conductance PV (MPVS-Ultra, Millar Instruments, Houston, TX, USA) connecté au PowerLab 4/30 système d'acquisition de données (AD Instruments, Colorado Springs, CO, USA). La dobutamine, de qualité USP (Hospira, Inc., Lake Forest, IL), a été préparée dans une solution saline stérile pharmaceutique (1,25, 2,5, 5, 10 μg/kg/50 μl) et appliquée dans la veine jugulaire à l'aide d'une seringue programmable Pump 11 Elite Pompe (Harvard Apparatus, Holliston, MA, États-Unis) pendant 30 s pour chaque dose.

Acquisition et analyse de données

La pression artérielle de rats éveillés se déplaçant librement a été enregistrée en continu pendant 24 h avant l'exposition, pendant l'exposition au MWCNT, 1 et 7 jours après l'exposition. Le jour de l'exposition, les rats ont été autorisés à s'acclimater à la chambre pendant 30 min, puis des enregistrements continus de 5 h (de 9 h 00 à 14 h 00) ont été effectués pendant l'exposition. Les données de pression artérielle de chaque animal ont été collectées puis exportées (logiciel d'analyse Dataquest ART; Data Sciences International) vers un tableur Excel (Excel 2010, Microsoft Corporation, Seattle, WA). La pression artérielle systolique (PAS), la pression artérielle diastolique (PAD) et la pression artérielle moyenne ont été calculées en moyenne au cours d'une exposition de 5 h (de 9 h 00 à 14 h 00) pour les comparaisons entre les groupes d'exposition témoin et MWCNT.

Analyse statistique

Les données ont été comparées à l'aide d'une analyse de variance à mesures répétées bidirectionnelle (traitement par jour). Les comparaisons ultérieures par paires ont été testées à l'aide de Fishers LSD. Toutes les données ont été analysées à l'aide du logiciel SAS (version 9.3), et les différences ont été considérées comme statistiquement significatives au niveau de p < 0,05. Les valeurs dans les chiffres ont été exprimées comme la moyenne  ± SE.

Résultats

Dans cette étude, la distribution granulométrique et la concentration massique de l'aérosol MWCNT dans la cage d'exposition scellée ont été déterminées. Les résultats indiquent un diamètre aérodynamique médian en masse de 1,4 μm (Fig. 1) et la concentration massique de MWCNT de 5 mg/m ³ (données non affichées).

Une distribution de taille typique de l'aérosol MWCNT dans la cage d'exposition scellée qui indique un diamètre aérodynamique médian en masse de 1,4 μm

La pression artérielle a été mesurée chez des rats se déplaçant librement instrumentés avec la télémétrie et comparée en pourcentage de changement par rapport à la pré-exposition. Nos résultats ont indiqué que les pressions artérielles systolique, diastolique et moyenne étaient toutes significativement augmentées au cours de la période d'exposition de 5 heures dans le groupe exposé aux MWCNT par rapport au groupe témoin (Fig. 2a–c). Un jour après l'exposition, bien que la variation en pourcentage de la pression artérielle systolique, diastolique et moyenne dans le groupe exposé aux MWCNT soit toujours plus élevée que dans le groupe témoin, la différence n'était pas significative (Fig. 2a-c). À 7 jours après l'exposition, aucune différence de pression artérielle n'a été observée entre les deux groupes (Fig. 2a-c).

un Graphique à barres représentant une variation en pourcentage de la pression artérielle systolique (PAS) pendant la période d'exposition et à 1 et 7 jours après l'exposition par rapport au niveau basal avant l'exposition (contrôle pré-exposition vs MWCNT :127,0 ± 3,0 contre 127,6 ± 1,7 mmHg). b Graphique à barres représentant une variation en pourcentage de la pression artérielle diastolique (PAD) pendant la période d'exposition et à 1 et 7 jours après l'exposition par rapport au niveau basal avant l'exposition (contrôle pré-exposition vs MWCNT :85,1 ± 2,0 contre 86,9 ± 1,2 mmHg). c Graphique à barres représentant une variation en pourcentage de la pression artérielle moyenne (PAM) pendant la période d'exposition et à 1 et 7 jours après l'exposition par rapport au niveau basal avant l'exposition (contrôle pré-exposition vs MWCNT :99,1 ± 2,3 vs 100,4  ± 1,4 mmHg). Chaque valeur représente la moyenne  ± SE de huit rats. P < 0,01 par rapport au groupe témoin (*)

La fonction cardiaque après exposition aux MWCNT a été évaluée en mesurant la performance ventriculaire gauche en réponse à des doses accrues de dobutamine chez des rats anesthésiés à 1 et 7 jours après l'exposition. Les résultats ont indiqué que l'exposition aux MWCNT a légèrement diminué le volume systolique cardiaque basal (VS), le travail cardiaque (SW) et le débit cardiaque (CO), mais réduisait considérablement la réactivité du volume systolique, du travail systolique et du débit cardiaque à une dose accrue de dobutamine 1 jour après l'exposition (figures 3, 4 et 5). Aucune différence n'a été observée entre les deux groupes 7 jours après l'exposition (Figs. 3, 4 et 5). La pression artérielle en présence de doses accrues de dobutamine a également été mesurée, et il n'y avait aucune différence entre les groupes témoins et exposés aux MWCNT (Fig. 6).

Graphique linéaire illustrant une variation en pourcentage du volume systolique (VS) par rapport au niveau basal avant l'exposition (contrôle pré-exposition vs MWCNT à 1 jour post :109,3 ± 7,0 vs 106,7 ± 10,4 μl, contrôle vs MWCNT à 7 jours post :118,8 ± 5,7 vs 127,5 ± 3,7 μl). Chaque valeur représente la moyenne  ± SE de huit rats. P < 0,01 exposé par rapport au groupe témoin à 1 jour post-exposition (*)

Graphique linéaire illustrant une variation en pourcentage du travail d'AVC (SW) par rapport au niveau de base avant l'exposition (contrôle pré-exposition vs MWCNT à 1 jour post : 1 1276 ± 1165 vs 11,151,7 ± 727.9 mmHg × μl, contrôle vs MWCNT à 7 jours après :13245 ± 893,4 vs 13 644,2 ± 536,5 mmHg × μl). Chaque valeur représente la moyenne  ± SE de huit rats. P < 0,01 exposé par rapport au groupe témoin à 1 jour post-exposition (*)

Graphique linéaire illustrant une variation en pourcentage du débit cardiaque (CO) par rapport au niveau basal avant l'exposition (contrôle pré-exposition vs MWCNT à 1 jour post :42243,3 ± 4500,1 vs 40 556,6 ± 2308,8 μl/min, contrôle vs MWCNT à 7 jours après :44903,3 ± 2906.0 vs 46,210 ± 1624,8 μl/min). Chaque valeur représente la moyenne  ± SE de huit rats. P < 0,01 exposé par rapport au groupe témoin à 1 jour post-exposition (*)

Graphique linéaire illustrant une variation en pourcentage de la pression artérielle moyenne (MBP) par rapport au niveau basal avant l'exposition (contrôle vs MWCNT à 1 jour post :97,7 ± 2,8 vs 98,1 ± 2,6, contrôle vs MWCNT à 7 jours post :102,5 ± 4,2 vs 100,9 ± 5.5). Chaque valeur représente la moyenne  ± SE de huit rats

Discussion

Le rôle du système nerveux autonome (SNA) dans la régulation de la fonction cardiovasculaire a été bien étudié [21]. Nous avons signalé précédemment que l'inhalation pulmonaire de MWCNT modifie la variabilité de la fréquence cardiaque (VFC) et réduit la fréquence cardiaque (FC) en augmentant l'activité du système nerveux sympathique et parasympathique chez le rat [10]. Chez les travailleurs, exposition pulmonaire au TiO₂ les particules de diamètre <  300 nm étaient associées à une VRC modifiée, un changement cohérent avec les effets des particules sur le système nerveux autonome [22]. En conséquence, une étude épidémiologique a confirmé que la composante ultrafine des particules dans l'air ambiant joue un rôle clé dans la régulation de l'activité nerveuse autonome cardiovasculaire [23]. Cependant, les mécanismes par lesquels les altérations du système nerveux autonome résultant de l'exposition pulmonaire aux EN affectent la fonction cardiovasculaire restent incertains. Le système nerveux sympathique et parasympathique a tendance à agir de manière réciproque pour réguler la fonction cardiovasculaire. Cependant, nos résultats indiquent que l'activité des nerfs sympathiques et parasympathiques a augmenté simultanément après l'exposition aux MWCNT [10]. Afin d'élucider les conséquences d'une altération de l'activité du SNA suite à une exposition aux EN sur les performances cardiovasculaires, la pression artérielle a été enregistrée et analysée à partir des mêmes rats éveillés se déplaçant librement utilisés pour étudier la VRC comme nous l'avons signalé précédemment [10]. Nos résultats ont indiqué que les pressions artérielles systolique, diastolique et moyenne étaient toutes élevées de manière significative pendant l'exposition aux MWCNT par rapport au groupe témoin (Fig. 2a-c) et restaient un peu plus élevées (bien que non significativement) 1 jour après l'exposition. La pression artérielle significativement plus élevée à la suite d'une exposition pulmonaire aux MWCNT n'était probablement pas due à une réaction de stress puisque la réponse s'est maintenue tout au long des 5 heures d'exposition et différait de celle des témoins à air filtré. Une réaction de stress se traduit généralement par une réaction de combat ou de fuite, une réaction physiologique avec une augmentation de la pression artérielle et une accélération du rythme cardiaque et une contraction cardiaque plus forte en raison de l'effet inhibiteur sur le système neuronal parasympathique. Dans notre étude précédente, l'activité du système nerveux sympathique était directement stimulée par l'inhalation de MWCNT, ce qui suggère qu'une augmentation stimulée par les MWCNT de l'activité du système nerveux sympathique était responsable de l'augmentation de la pression artérielle suite à l'exposition aux MWCNT dans la présente étude.

Dans la présente étude, nos résultats suggèrent que l'augmentation de la pression artérielle au cours de l'exposition aux MWCNT était associée à une fréquence cardiaque réduite chez les rats éveillés se déplaçant librement par rapport au groupe témoin (à la limite de la signification statistique (p =0,054)) (données non présentées)). La fréquence cardiaque réduite observée pendant l'exposition était cohérente avec notre rapport précédent selon lequel il y avait une augmentation de l'activité nerveuse parasympathique pendant l'exposition aux MWCNT [10]. La preuve d'une corrélation entre l'augmentation de l'activité nerveuse parasympathique et l'effet sur les performances cardiaques suite à une exposition aux MWCNT a été étayée par l'étude de la performance cardiaque basale et de la réactivité cardiaque à la dobutamine, un agoniste des récepteurs β-adrénergiques, chez des rats anesthésiés. Un jour après l'exposition, les activités cardiaques basales de la fréquence cardiaque, du débit cardiaque et de la pression télésystolique ventriculaire gauche étaient toutes inférieures chez les rats exposés aux MWCNT, bien que les différences n'atteignent pas la différence statistique (données non présentées). L'influence de l'augmentation de l'activité nerveuse parasympathique sur le cœur a en outre été indiquée comme une réduction de la réactivité du volume systolique, du travail cardiaque et du débit cardiaque à la dobutamine (Figs. 3, 4 et 5). La dobutamine est un agoniste des récepteurs β. L'activation des récepteurs β dans le cœur imite un effet sympathique. Par conséquent, la réactivité réduite des performances cardiaques à la dobutamine pourrait être due à une diminution de l'activité nerveuse sympathique. Cependant, dans la présente étude, la réduction des performances cardiaques en présence de dobutamine résultait plus probablement d'une activité parasympathique accrue pendant l'exposition aux MWCNT, car notre étude précédente indiquait que l'activité nerveuse sympathique restait élevée après l'exposition aux MWCNT chez des rats éveillés se déplaçant librement [10] . Bien qu'il y ait eu une différence de synchronisation pour la mesure de la pression artérielle et de la fonction cardiaque chez les rats conscients se déplaçant librement et les rats anesthésiés, une réduction de la fréquence cardiaque chez les rats conscients ainsi qu'une diminution de la réactivité de la fonction cardiaque à la dobutamine (Figs. 3, 4 et 5) impliquent une activité parasympathique élevée et ses effets sur le cœur après exposition aux MWCNT.

Il existe deux mécanismes qui peuvent contribuer à une diminution de la fréquence cardiaque et des performances cardiaques ainsi qu'à une augmentation de la pression artérielle qui s'est produite dans cette étude. L'un est une réponse réflexe du barorécepteur qui est bien établie. La seconde est une augmentation directe de la production neuronale parasympathique dans le centre cardiovasculaire après inhalation de MWCNT comme nous l'avons signalé précédemment [10]. Les deux mécanismes impliquent le système nerveux parasympathique mais avec des voies différentes. Il est bien connu que l'augmentation de la pression artérielle peut exciter le barorécepteur en augmentant son taux de génération de potentiel d'action basal et envoyer le signal au noyau du tractus solitaire (NTS), qui à son tour inhibe le centre vasomoteur et stimule les noyaux vagaux [24 , 25]. Le résultat final est de réduire la fréquence cardiaque et la contractilité cardiaque, ce qui maintient la pression artérielle dans une plage de fluctuation étroite. Dans notre étude, une fréquence cardiaque et des performances cardiaques réduites étaient associées à une pression artérielle significativement plus élevée après une exposition aux MWCNT chez des rats conscients, ce qui pourrait être dû à une pression artérielle élevée déclenchant le réflexe barorécepteur. Cependant, chez les rats anesthésiés, nous n'avons trouvé aucune différence dans la pression artérielle basale entre les groupes témoins et exposés (témoins vs MWCNTs :pression artérielle moyenne 98,6 vs 97,9 mmHg), très probablement en raison de l'impact de l'anesthésie [26]. La performance cardiaque dans le groupe d'exposition aux MWCNT était relativement faible au niveau basal par rapport au groupe témoin (voir les légendes des figures 3, 4 et 5). Fait intéressant, la réactivité du volume systolique, du travail cardiaque et du débit cardiaque à une dose accrue de dobutamine était significativement plus faible chez les rats exposés aux MWCNT, alors qu'il n'y avait pas de différence dans la pression artérielle mesurée simultanément avec la fonction cardiaque en réponse à la dobutamine entre le contrôle et les groupes MWCNT (Fig. 6). Ces observations excluent le rôle du réflexe barorécepteur et suggèrent fortement que l'exposition pulmonaire aux MWCNT peut augmenter l'activité du système nerveux parasympathique par un mécanisme autre que le réflexe barorécepteur. La preuve d'une stimulation directe de l'activité nerveuse parasympathique par les nanotubes de carbone a également été observée dans une autre étude animale [27]. Cette étude a révélé que les nanotubes de carbone à paroi unique instillés par voie intratrachéale réduisaient la fréquence cardiaque sans augmentation de la pression artérielle chez le rat [27]. Compte tenu de l'apparition rapide au cours de l'exposition et des effets transitoires sur le SNA, la pression artérielle et les performances cardiaques, notre étude exclut également le rôle possible de l'inflammation induite par les nanoparticules et de la translocation des nanoparticules dans la régulation de la fonction cardiovasculaire et soutient l'hypothèse selon laquelle l'exposition pulmonaire à les nanoparticules peuvent affecter directement les zones cérébrales responsables du contrôle autonome, qui à son tour affecte la fonction cardiovasculaire.

Notre étude indique que l'effet des altérations du SNA induites par les MWCNT sur le système cardiovasculaire est apparemment basé sur la distribution des nerfs autonomes. Dans le système vasculaire, les vaisseaux sanguins sont principalement innervés par les nerfs sympathiques, la majorité de ces nerfs sympathiques libèrent de la noradrénaline (NE) qui se lie à α₁ -récepteurs adrénergiques pour provoquer la constriction des vaisseaux. Dans le corps, seuls quelques types de vaisseaux sanguins sont innervés par les nerfs cholinergiques parasympathiques ou cholinergiques sympathiques, qui libèrent tous deux de l'acétylcholine (ACh) qui se lie aux récepteurs muscariniques pour provoquer une dilatation des vaisseaux. Par conséquent, l'effet global d'une augmentation de l'activité nerveuse sympathique et parasympathique est d'augmenter la pression artérielle par constriction des vaisseaux. Le cœur est innervé par des fibres parasympathiques et sympathiques qui agissent de manière réciproque pour moduler la fréquence cardiaque (chronotropie), la force de contraction (inotropie) et la relaxation (lusitropie) [28, 29]. L'exposition aux MWCNT a induit un ralentissement de la fréquence cardiaque et une réduction du volume systolique, de l'AVC et du débit cardiaque en réponse à la dobutamine (Figs. 3, 4 et 5), suggérant qu'une activité accrue du système nerveux parasympathique était dominante dans le contrôle de la fréquence cardiaque et de la performance cardiaque. suite à une exposition pulmonaire aux MWCNT, même face à une activité sympathique accrue.

La présente étude a été la première à signaler que l'exposition aux MWCNT induit des altérations du SNA, qui peuvent affecter de manière significative la fonction cardiovasculaire. Bien que les effets des MWCNT inhalés sur la pression artérielle, la fréquence cardiaque et la fonction cardiaque aient été observés principalement pendant la période d'exposition, et que l'augmentation transitoire de la pression artérielle et une baisse des performances cardiaques s'adaptent rapidement chez les animaux sains, de tels changements transitoires de la fonction cardiovasculaire pourrait être un facteur de risque de déclenchement d'un événement cardiovasculaire chez les personnes souffrant de maladies cardiovasculaires préexistantes telles que l'insuffisance cardiaque et l'hypertension. Une étude récente d'ischémie/reperfusion (I/R) in vivo a indiqué que l'exposition pulmonaire aux MWCNT augmente significativement les lésions d'I/R même en l'absence d'une réponse inflammatoire circulatoire significative [30]. Il a été bien étudié qu'une perturbation du système nerveux autonome peut augmenter les lésions I/R qui entraînent davantage de lésions des tissus cardiaques au cours de l'ischémie cardiaque [31]. Pendant l'insuffisance cardiaque, le cœur ne pompe pas suffisamment de sang vers les poumons pour l'échange d'oxygène et vers le reste du corps pour maintenir le bon fonctionnement des organes en raison de la faiblesse du muscle cardiaque. Dans cet état compromis, une augmentation supplémentaire de la pression artérielle et une réduction de la contractilité cardiaque par l'exposition aux MWCNT pourraient entraîner une aggravation d'une fonction cardiovasculaire et d'une perfusion d'organe déjà perturbées. Notre étude indique clairement que l'exposition aux MWCNT peut stimuler l'activité du SNA associée à une altération de la fonction cardiovasculaire. L'observation de notre étude peut être pertinente pour la conclusion de l'American Heart Association selon laquelle l'exposition à des particules < 2,5 μm dans l'air ambiant pendant seulement quelques heures ou semaines peut déclencher une mortalité et une morbidité liées aux maladies cardiovasculaires chez les personnes souffrant de troubles cardiovasculaires préexistants. conditions [16].

Conclusions

Les observations de la présente étude fournissent des preuves fondamentales pour étayer nos conclusions précédentes et l'hypothèse selon laquelle l'exposition pulmonaire aux nanoparticules peut affecter la fonction cardiovasculaire en raison des altérations de l'activité du SNA. En conclusion, notre étude indique que l'exposition aux altérations du SNA induites par les MWCNT peut affecter de manière significative la fonction cardiovasculaire. D'autres études sont nécessaires pour déterminer si les altérations transitoires de la fonction cardiovasculaire peuvent avoir un impact négatif plus grave sur les personnes souffrant de maladies cardiovasculaires préexistantes.

Abréviations

CNT :

Nanotubes de carbone

CO :

Débit cardiaque

DBP:

Diastolic blood pressure

EKG:

Electrocardiogram

ENs:

Engineered nanoparticles

HR:

Heart rate

HRV:

Heart rate variability

MAP:

Mean blood pressure

MWCNTs:

Multi-walled carbon nanotubes

SBP:

Systolic blood pressure

SV:

Stroke volume

SW:

Stroke work