Influence of neonatal exposure to titanium dioxide on changes in motor representations in the neocortex of the adult white mouse
Influence of neonatal exposure to titanium dioxide on changes in motor representations in the neocortex of the adult white mouse
Abstract
E 171 — food additive containing titanium dioxide particles of various sizes (including nanoparticles) is widespread in the food industry nowadays and is potentially unsafe for the developing brain due to the described toxic effects on other organ systems. Therefore, we performed acute experiments under general (Zoletil 100) and local anaesthesia to map the motor neocortex of adult white mice neonatally treated with a food additive containing titanium dioxide, E171. The effect of E171 on neocortex excitability was found to be significant — there was a significant decrease in the excitability of facial motor responses compared to the motor responses of limb muscles. The reduction of the area of motor representations of vibrissae and upper lip was also noted, inversion of interhemispheric asymmetry in the location of motor representations of mandibular muscles was noted. The authors attribute the functional rearrangements of the motor neocortex to the effect of titanium dioxide nanoparticles present in the food supplement on the dopaminergic mediator system of the brain. The conclusion is made about the potential danger of food additive E171 for the developing organism of mammals due to persistent functional rearrangements and changes in the excitability of the cerebral cortex that persist during adulthood in model animals — white mice.
1. Введение
Пищевая добавка Е171, представляющая собой тонкодисперсный диоксид титана очень широко распространена в быту. С помощью данного вещества окрашивают лекарства, кондитерские изделия, конфеты, мороженое, жевательную резинку и другие пищевые продукты, имеющие белый цвет. Данные категории продуктов используют беременные женщины и дети.
Относительно безопасности добавки и моделирования эффектов ее воздействия на животных единого мнения пока нет. Некоторые ученые до сих пор считают, что наночастицы диоксида титана не попадают в мозг взрослых животных
и развивающихся плодов . Более многочисленная группа ученых считает иначе. Показано, например, что частицы диаметром более 200 нм не вызывают повреждения головного мозга, тогда как наночастицы меньшего диаметра успешно проходят через гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) и вызывают дозозависимое повреждение у взрослых и развивающихся животных вне зависимости от пути поступления наночастиц диоксида титана в организм. Если использовать в качестве модели воздействия данного вещества на детский мозг неонатальных мышат, то преимущество такой модели составляет то, что проницаемость ГЭБ у мышей 1–7 суток после рождения остается высокой . Таким образом, целью нашего исследования является фиксация изменения возбудимости моторного неокортекса и расположения корковых двигательных представительств у белой мыши при неонатальном воздействии пищевой добавки, содержащей диоксид титана. Расположение двигательных представительств и возбудимость моторного неокортекса нелинейных развивающихся и взрослых белых мышей в норме исследована ранее , , что дает возможность сравнить полученные нами данные по расположению корковых двигательных представительств (ДП) и пороговым токам двигательных ответов (ДО) с нормальным ходом постнатального онтогенеза коры мозга.2. Методы и принципы исследования
Для оценки влияния диоксида титана на расположение двигательных представительств у белых мышей осуществляли инъекцию белого пищевогокрасителя Artcolor (Е171, производство г. Ижевск) подкожно в дозе 100 мкл/кг двукратно в возрасте 2 и 5 дней после рождения. Далее мышата содержались с матерью до 21 дня, после этого — в отдельной домашней клетке на стандартном корме для лабораторных животных.
Расположение двигательных представительств оценивали у взрослых белых мышей при помощи методики внутрикоровой микростимуляции (ВКМС). Наркоз проводили препаратом Золетил 100 в дозе 70 мг/кг. Производили скальпирование и двустороннюю краниотомию кпереди и назад от брегмы при подкожной анестезии 0,5% новокаином. Череп жестко фиксировали зубным цементом к кронштейнам стереотаксического аппарата. Туловище подвешивали в эластическом гамачке. Для ВКМС использовали стеклянные микроэлектроды, заполненные 1,5 М цитратом натрия, с кончиками, обломленными под микроскопом до диаметра 4–8 мкм и сопротивлением 1,0 МОм.
Для ВКМС использовались короткие серии прямоугольных импульсов длительностью 0,4 мс, частотой 300–400 имп/с, по 7 импульсов в пачке, интенсивностью тока не более 80 мкА. Шаг погружения микроэлектрода составлял 0,5 мм. Остальные детали методики подробно описаны . Для каждого животного строилась серия индивидуальных карт расположения двигательных представительств, измерялись площади двигательных представительств, различия между которыми оценивали при помощи критерия знаков. Также были построены суммационные карты для каждого типа ДО по результатам 8 острых опытов, представленные на Рис. 1 и 2. При построении карт за начало координат принималась точка пересечения сагитального шва и брегмы. Достоверность различий пороговых токов, необходимых для вызова разного рода ДО, оценивали по непараметрическому критерию Вилкоксона.
3. Основные результаты
При неонатальном подкожном введении мышатам пищевой добавки Е171, содержащей диоксид титана, гибели животных не отмечалось, отставания в физическом развитии также не было отмечено. Взрослые животные имели массу 20–25 г. При использовании методики ВКМС на8 животных нами были получены двигательные ответы (ДО) мышц передних и задних конечностей, верхней губы, вибрисс, нижней челюсти, век, ушных и хвостовых мышц.
Рисунок 1 - Расположение двигательных представительств мышц передних конечностей (а) и мышц задних конечностей (b) в моторном неокортексе белых мышей при неонатальном воздействии диоксида титана (суммационные карты по результатам 8 опытов)
Примечание: составлено авторами
Рисунок 2 - Расположение двигательных представительств мышц верхней губы (а), вибрисс (b) и нижней челюсти (c) в моторном неокортексе белых мышей при неонатальном воздействии диоксида титана (суммационные карты по результатам 8 опытов)
Примечание: составлено авторами
Рисунок 3 - Пороговые токи, необходимые для получения двигательных ответов лицевых и соматических мышц из моторного неокортекса белых мышей при неонатальном воздействии диоксида титана
Примечание: составлено авторами; FL – мышц передней конечности, HL – задней конечности, J – челюсти, UL – верхней губы, V – вибрисс; ** - p<0,01, *** - p<0,001
4. Обсуждение
В настоящем исследовании обнаружено расширение ДП мышц конечностей, смещение ДП мышц вибрисс и верхней губы в каудальном направлении и инверсия межполушарной асимметрии ДП мышц нижней челюсти. Можно отметить, что это существенный комплекс изменений относительно нормального расположения ДП у белой мыши описанного И.В. Проничевым
. Такие глобальные изменения организации лицевых ДП при воздействии исследуемой нами пищевой добавки могут быть связаны с как с неонатальной гипоксией, вызываемой диоксидом титана, так и другими механизмами воздействия этого вещества. Диоксид титана действительно вызывает гипоксические изменения ткани мозга, оксидативный стресс , приводящие к истончению горы головного мозга, дисплазии отростков нервных клеток и дисфункции синапсов . Однако такие механизмы неизбежно вызвали бы изменение возбудимости всей моторной коры и отразились бы на пороговых токах всех исследуемых ДО. Тем не менее настоящее исследование отмечает практически нормальную возбудимость моторного неокортекса для ДО мышц передней конечности, сниженную для ДО мышц задней конечности и достоверно (p<0,001) сниженную возбудимость для ДО всех лицевых мышц. Не одинаковое снижение возбудимости моторного неокортекса для вызова ДО мышц конечностей и лицевых мышц может быть связано с воздействием диоксида титана на дофаминэргическую систему.При воздействии диоксида титана увеличивается содержание дофамина и его метаболитов в префронтальной коре и стриатуме развивающихся животных
. Дофамин модулирует активность моторной коры при помощи рецепторов D1 и D2. Активация рецептора D2 возбуждает моторную кору, увеличивает количество спайков пирамидных нейронов, ингибирует ГАМК — интернейроны , и все это, по-видимому, приводит к расширению ДП мышц конечностей. Наибольшее расширение отмечено для ДП мышц передней конечности, так как дофаминэргическая система иннервирует глубокие слои моторного неокортекса и ее волокна нацелены у мышей именно на ДП мышц передних конечностей . Таким образом, диоксид титана повышая уровень дофамина в префронтальной коре усиливает процессы возбуждения и уменьшает процессы торможения в ней.Поскольку выведение частиц диоксида титана из мозга ограничено
, то при поступлении вещества даже в незначительных дозах наступает накопление. По-видимому, двукратное введение диоксида титана мышатам в возрасте 1 и 5 дней после рождения сохраняет эффект воздействия на протяжении — как минимум — первых 10 дней раннего постнатального онтогенеза. Десятидневное возбуждающее действие диоксида титана дает возможность ДП мышц передних, задних конечностей и нижней челюсти расширить границы, а нервным сетям, образующим эти ДП сформироваться и сохранить большее количество элементов при последующем развитии.ДП мышц лицевых вибрисс и верхней губы формируются у белой мыши после 10 дня раннего постнатального онтогенеза
, когда активация дофаминэргической медиаторной системы диоксидом титана снижается. Следовательно, данные ДП имеют меньшую площадь и формируются аномально, их нервные сети содержат меньшее количество элементов, они менее возбудимы, что и приводит к повышению пороговых токов этих ДО.По данным современных исследователей диоксид титана накапливается в нервных клетках и вызывает окислительный стресс, апоптоз, воспалительные реакции, генотоксичность, нарушения синтеза нейротрансмиттеров, синаптической пластичности, метилирования ДНК, что приводит к нейротоксичности
.Нами рассматривается влияние диоксида титана при его подкожном введении экспериментальным животным. При данном способе поступления в кровь попадает значительное его количество. В условиях поступления диоксида титана с пищевой добавкой реальному потребителю большая его часть поступает в кровь из кишечника с пищей и лекарствами, что нарушает деятельность кишечной микрофлоры
, снижают доступность для переваривания белков пищи , имеет выраженную токсичность для эпителиальных клеток кишечника . Диоксид титана также в значительных количествах проходит сквозь кишечный барьер , что привело к запрету использования E171 во многих странах c 2020 года. Тем более, что в большинстве продуктов питания эта пищевая добавка может быть замена на нетоксичные альтернативные красители .5. Заключение
Несмотря на отсутствие летальных исходов у экспериментальных животных при применении пищевой добавки Е 171, содержащей диоксид титана можно заключить, что ее воздействие привело к достоверному изменению возбудимости моторного неокортекса, изменению площади и расположения двигательных представительств лицевых мышц вибрисс и верхней губы. Отмечено инвертированное асимметричное расположение двигательного представительства мышц нижней челюсти. Описанные изменения позволяют сделать вывод о потенциальной опасности пищевой добавки Е171 для развивающегося мозга млекопитающих ввиду стойких функциональных перестроек и изменения возбудимости коры головного мозга. Поскольку возможность замены Е171 на нетоксичные красители, вырабатываемые промышленностью, имеется, необходимо ограничить использование Е171 непищевыми целями в целях сохранения здоровья потребителя.