L'exposition pulmonaire aux nanotubes de carbone multi-parois élève la pression artérielle et altère la fonction cardiaque chez le rat

Résumé

Contexte

La variabilité de la fréquence cardiaque (VFC) est un marqueur sensible de l'équilibre du système nerveux autonome (SNA) et prédit les issues cardiovasculaires. Des travaux antérieurs de notre laboratoire ont démontré que l'inhalation de nanotubes de carbone multi-parois (MWCNT) chez le rat augmente à la fois le tonus sympathique et parasympathique, impliquant que les nanoparticules conçues (ENs) peuvent modifier la fonction cardiovasculaire. La présente étude étend ces observations en enregistrant la pression artérielle, la fréquence cardiaque et la performance cardiaque en temps réel suivant l'inhalation de MWCNT, et en liant ces changements aux altérations de la VFC.

Méthodes

Des rats Sprague-Dawley mâles (275–300 g) ont été chirurgicalement implantés avec un émetteur télémétrique (HD-S21, Data Sciences International) et exposés à un aérosol de MWCNT à 5 mg/m³ pendant 5 h. Des données continues d'électrocardiogramme (ECG) et de pression artérielle ont été collectées avant, pendant, et aux 1 et 7 jours post-exposition. La fonction cardiaque a été évaluée chez des rats anesthésiés utilisant un cathéter boucle pression-volume (Millar SPR-901) et une perfusion graduelle de dobutamine (1,25–10 µg/kg).

Résultats

L'inhalation de MWCNT a produit une élévation rapide, dose-dépendante de la pression artérielle systolique, diastolique et moyenne (PAM) qui a persisté pendant la période d'exposition de 5 h (p < 0,01) et est restée modestement élevée à 1 jour post-exposition (p < 0,05). La fréquence cardiaque a chuté pendant l'exposition, tendant vers la significativité (p = 0,054). Chez les rats anesthésiés, l'exposition aux MWCNT a légèrement diminué le volume d'éjection (VE), le travail d'éjection (TE) et le débit cardiaque (DC) de base, et a nettement réduit l'augmentation induite par la dobutamine du VE, TE et DC à 1 jour post-exposition (p < 0,01). Aucune différence significative n'a été observée à 7 jours post-exposition. Les réponses de pression artérielle à la dobutamine étaient inchangées entre les groupes.

Conclusions

L'exposition pulmonaire aux MWCNT élève transitoirement la pression artérielle et atténue la réactivité cardiaque chez le rat, probablement par activation simultanée des voies sympathique et parasympathique qui altèrent l'équilibre du SNA. Ces résultats soulignent la nécessité d'étudier si de telles perturbations autonomes peuvent précipiter des événements cardiovasculaires chez les populations susceptibles.

Contexte

Avec l'utilisation industrielle croissante des nanomatériaux, l'exposition professionnelle augmente, et les études animales ont lié l'exposition pulmonaire à court terme aux nanoparticules conçues (ENs) avec inflammation pulmonaire, fibrose et cancérogenèse. Des preuves émergentes indiquent que les ENs affectent aussi la santé cardiovasculaire via inflammation, translocation ou mécanismes neuronaux. Nos propres investigations ont montré qu'une exposition à faible dose à l'oxyde de titane ultrafin (UFTiO₂) et aux MWCNT inflamme modestement le poumon mais déclenche des augmentations transitoires de la synthèse de neurotransmetteurs périphériques et des changements de VFC, suggérant une médiation neuronale plutôt qu'un contact cardiaque direct.

Le SNA maintient l'homéostasie cardiovasculaire ; les perturbations peuvent mener à l'hypertension, arythmies ou AVC. Les données épidémiologiques démontrent que même une brève inhalation de pollution particulaire, surtout les particules ultrafines, augmente la morbidité cardiovasculaire en déplaçant l'équilibre du SNA. Comme les particules nano-dimensionnées pénètrent profondément dans les alvéoles et contournent le clairance mucociliaire, elles peuvent stimuler continuellement les neurones sensoriels pulmonaires, altérant potentiellement le contrôle autonome central.

Méthodes

Préparation des animaux

Des rats Sprague-Dawley mâles ont été acclimatés pendant une semaine, logés en conditions exemptes de pathogènes spécifiques, et surveillés pour la santé. Toutes les procédures ont été approuvées par le Comité de soins aux animaux du NIOSH.

Exposition aux MWCNT

Les rats ont été exposés individuellement dans des cages scellées connectées à une chambre d'aérosol principale via un tubage antistatique. Un aérosol de MWCNT à 5 mg/m³ (diamètre aérodynamique médian massique 5 µm) a été généré et caractérisé par impacteur en cascade et analyse gravimétrique. La charge pulmonaire estimée par rat était de ~5–7 µg, comparable aux expositions professionnelles.

Implantation télémétrique

Sous anesthésie à l'isoflurane, l'aorte abdominale a été canulée avec un cathéter télémétrique et le dispositif fixé sous la paroi abdominale. Une analgésie post-opératoire a été fournie, et les animaux ont eu une récupération de 3 semaines avant l'exposition.

Mesures hémodynamiques

Chez les rats anesthésiés, un cathéter boucle PV Millar a été avancé par l'artère carotide dans le ventricule gauche. Les enregistrements de base ont été stabilisés pendant 20 min avant la perfusion de dobutamine à doses incrémentales (1,25–10 µg/kg). Les signaux étaient échantillonnés à 1 kHz et analysés avec le système MPVS-Ultra.

Acquisition et analyse des données

La pression artérielle a été enregistrée en continu pendant 24 h pré-exposition, pendant l'exposition de 5 h, et aux 1 et 7 jours post-exposition. Les données ont été exportées vers Excel et analysées par ANOVA à mesures répétées avec LSD de Fisher ; p < 0,05 était considéré significatif.

Résultats

La Figure 1 illustre la distribution de taille de l'aérosol (diamètre aérodynamique médian massique 1,4 µm). Pendant l'exposition, les pressions artérielles systolique, diastolique et moyenne ont augmenté significativement par rapport aux témoins air filtré (Figure 2). À 1 jour post-exposition, les élévations de pression persistaient mais n'étaient pas statistiquement significatives ; à 7 jours, les pressions sont revenues à la ligne de base.

L'analyse de boucle PV cardiaque (Figures 3–5) a révélé que l'exposition aux MWCNT a légèrement abaissé le VE, TE et DC de base et a nettement atténué la hausse induite par la dobutamine de ces paramètres à 1 jour post-exposition. Aucune différence n'a été vue à 7 jours. Les réponses de pression artérielle moyenne à la dobutamine étaient inchangées (Figure 6).

Discussion

Nos résultats confirment que l'exposition pulmonaire aux MWCNT élève la pression artérielle chez des rats en mouvement libre, probablement par activation sympathique. Simultanément, la fréquence cardiaque chute et la réactivité cardiaque à la stimulation β-adrénergique est émoussée, consistant avec un tonus parasympathique accru. L'augmentation simultanée de l'activité sympathique et parasympathique suggère une modulation complexe du SNA plutôt qu'une simple réponse baroréflexe.

Les mécanismes possibles incluent la stimulation directe des noyaux autonomes centraux par les particules inhalées ou l'activation neuronale périphérique contournant le réflexe barorécepteur. Important, ces changements autonomes surviennent rapidement et se résolvent en quelques jours, mais peuvent représenter un déclencheur d'événements cardiovasculaires chez des individus susceptibles.

Conclusions

L'inhalation de MWCNT induit des changements autonomes transitoires qui élèvent la pression artérielle et altèrent la fonction cardiaque chez le rat. Des recherches supplémentaires sont justifiées pour déterminer si ces effets exacerbent le risque cardiovasculaire dans les populations avec maladies préexistantes.

Abréviations

CNTS

Nanotubes de carbone

CO

Débit cardiaque

DBP

Pression artérielle diastolique

EKG

Électrocardiogramme

ENs

Nanoparticules conçues

HR

Fréquence cardiaque

HRV

Variabilité de la fréquence cardiaque

MAP

Pression artérielle moyenne

MWCNTs

Nanotubes de carbone multi-parois

SBP

Pression artérielle systolique

SV

Volume d'éjection

SW

Travail d'éjection