Efek nanotube karbon berdinding banyak yang dihirup pada tekanan darah dan fungsi jantung
Abstrak
Latar Belakang
Variabilitas denyut jantung (HRV) sebagai penanda mencerminkan aktivitas sistem saraf otonom. Signifikansi prognostik HRV untuk penyakit kardiovaskular telah dilaporkan dalam studi klinis dan epidemiologis. Laboratorium kami telah melaporkan perubahan pada variabilitas detak jantung tikus (HRV) karena peningkatan aktivitas sistem saraf simpatis dan parasimpatis setelah paparan paru terhadap tabung nano karbon multi-dinding (MWCNTs). Ini menunjukkan bahwa inhalasi paru dari nanopartikel rekayasa (ENs) dapat menyebabkan perubahan fungsional dalam sistem kardiovaskular. Penelitian ini menyelidiki lebih lanjut efek MWCNT inhalasi pada sistem kardiovaskular dan mengevaluasi korelasi antara perubahan HRV dan perubahan fungsi kardiovaskular.
Metode
Tikus jantan Sprague-Dawley telah ditanamkan sebelumnya dengan perangkat telemetri dan terpapar MWCNT selama 5 jam pada konsentrasi 5 mg/m
3
. Elektrokardiogram (EKG) dan tekanan darah direkam secara real time oleh sistem telemetri pada pra-paparan, selama paparan, dan 1 dan 7 hari pasca-pajanan. Kinerja fungsional jantung in vivo sebagai respons terhadap dobutamin ditentukan oleh sistem loop tekanan-volume terkomputerisasi.
Hasil
Menghirup MWCNT secara signifikan meningkatkan tekanan darah sistolik dan diastolik dan menurunkan denyut jantung pada tikus yang bergerak bebas. Selain itu, inhalasi MWCNT juga mengurangi kerja stroke jantung, stroke volume, dan output sebagai respons terhadap dobutamin pada tikus yang dibius.
Kesimpulan
Menghirup MWCNT mengubah kinerja kardiovaskular, yang dikaitkan dengan perubahan yang diinduksi paparan MWCNT dalam sistem saraf simpatik dan parasimpatis. Temuan ini menunjukkan kebutuhan untuk menyelidiki lebih lanjut efek kardiovaskular dari MWCNT inhalasi.
Latar Belakang
Dengan potensi aplikasi industri yang luas dan peningkatan produksi, peluang paparan nanomaterial telah meningkat di banyak sektor industri. Oleh karena itu, efek kesehatan yang merugikan dari paparan bahan nano telah mendapat perhatian besar. Penelitian pada hewan menunjukkan bahwa paparan paru jangka pendek terhadap nanopartikel yang direkayasa dapat menyebabkan reaksi inflamasi yang parah atau ringan di paru-paru tergantung pada sifat fisik dan kimia dari bahan nano yang diuji. Selain itu, paparan paru terhadap karbon nanotube (CNT) telah dikaitkan dengan fibrosis paru dan promosi kanker [1,2,3,4,5]. Meskipun penekanan baru-baru ini pada pajanan nanomaterial di tempat kerja lebih terfokus pada penyakit paru-paru dan karsinogenesis dan lebih sedikit pada sistem kardiovaskular, bukti dari penelitian epidemiologis dan hewan baru-baru ini sangat menunjukkan bahwa paparan paru terhadap nanomaterial dapat mempengaruhi sistem kardiovaskular dengan peradangan yang diinduksi nanopartikel, translokasi. , dan/atau regulasi neuron [6,7,8,9]. Studi kami telah menemukan bahwa nanopartikel dari titanium dioksida ultrafine (UFTiO2 ) dan karbon nanotube multi-dinding (MWCNTs), pada dosis yang menyebabkan reaksi inflamasi akut minor di paru-paru, secara sementara dapat meningkatkan sintesis neurotransmitter di neuron perifer [8] dan menyebabkan perubahan dalam aktivitas sistem saraf otonom ( ANS) [10]. Selain itu, kami juga melaporkan sebelumnya bahwa paparan langsung kardiomiosit terisolasi ke UFTiO2 tidak mengubah aktivitas biologis kardiomiosit [11]. Secara keseluruhan, penelitian kami sangat menyarankan bahwa beberapa bahan nano, pada dosis yang menunjukkan efek akut kecil di paru-paru, mempengaruhi sistem kardiovaskular dengan mempengaruhi sistem saraf daripada dengan translokasi langsung nanopartikel ke jantung.
ANS memainkan peran penting dalam menjaga fungsi kardiovaskular normal. Gangguan ANS dapat mengakibatkan gangguan fungsional pada sistem kardiovaskular, yang dapat menyebabkan hipertensi, stroke, atau aritmia jantung [12,13,14,15]. Studi epidemiologis telah mendukung potensi nanopartikel inhalasi untuk menginduksi sekuel kardiovaskular. Misalnya, inhalasi polusi udara partikulat hanya beberapa jam telah meningkatkan mortalitas dan morbiditas terkait penyakit kardiovaskular dengan mengubah keseimbangan ANS pada orang, terutama mereka yang memiliki kondisi kardiovaskular yang sudah ada sebelumnya [16]. Studi epidemiologis juga menunjukkan bahwa partikel ultrafine (UFP) dapat berkontribusi secara signifikan terhadap efek kardiovaskular dari polusi udara partikulat, sebagian karena deposisi alveolar yang relatif lebih efisien dari UFP vs partikel halus [17]. Partikel udara yang lebih besar yang mengendap di saluran udara konduksi dapat dihilangkan dengan cepat oleh eskalator mukosiliar, mekanisme utama untuk pembersihan paru. Namun, partikel berukuran nano dapat melewati sistem pertahanan pertama ini, menembus jauh ke dalam trakea dan paru-paru untuk merangsang ujung saraf sensorik secara terus-menerus. Kami menunjukkan sebelumnya bahwa MWCNT yang dihirup secara signifikan mengubah variabilitas denyut jantung (HRV) [10]. Penelitian ini menggunakan model tikus untuk lebih menjelaskan pengaruh paparan paru terhadap MWCNT pada fungsi sistem kardiovaskular dan menghubungkan perubahan ini dengan aktivitas ANS.
Metode
Hewan
Tikus jantan Sprague-Dawley (Hla:(SD) CVF) dari Hilltop Lab Animals (Scottdale, PA, USA), dengan berat 275–300 g dan bebas dari patogen virus, parasit, dan mikoplasma, Helicobacter, dan silia-associated respiratory (CAR) basil digunakan untuk semua percobaan. Tikus-tikus tersebut diaklimatisasi selama 1 minggu setelah kedatangan dan ditempatkan di kandang atas filter di bawah kondisi suhu dan kelembaban yang terkontrol dan siklus 12 jam terang/12 jam gelap. Makanan (Teklad 7913) dan air keran disediakan ad libitum. Fasilitas hewan tersebut bebas patogen spesifik, terkontrol lingkungan, dan diakreditasi oleh Association for Assessment and Accreditation of Laboratory Animal Care International (AAALAC). Semua prosedur hewan yang digunakan selama penelitian telah ditinjau dan disetujui oleh Institut Nasional untuk Keselamatan dan Kesehatan Kerja Komite Perawatan dan Penggunaan Hewan.
Paparan Inhalasi MWCNT Paru
MWCNT diperoleh dari Hodogaya Chemical Company (MWCNT-7, lot no. 061220-31). Tikus jantan Sprague-Dawley (250–300 g) terpapar aerosol MWCNT (5 mg/m
3
) selama 5 jam. Tikus ditempatkan secara individu dalam kandang tertutup yang terhubung ke ruang paparan utama (digunakan sebagai ruang pencampuran untuk penelitian ini) melalui tabung fleksibel anti-statis. Pompa pengambilan sampel udara dasar Gilian gilair-5 R (Sensidyne, St. Petersburg, FL 33716 USA) dipasang ke kandang tertutup untuk menarik aerosol MWCNT dari ruang paparan/pencampuran utama atau udara yang disaring (kelompok kontrol) ke dalam kandang tertutup pada laju aliran 1,25 l/mnt. Distribusi ukuran massa partikel aerosol MWCNT dalam sangkar tertutup ditentukan oleh penabrak kaskade (MOUDI, Model 110 dan 115, MSP Co., Shoreview, MN). Konsentrasi massa MWCNT ditentukan dengan analisis gravimetri fisik dengan filter Teflon. Sistem generasi aerosol, ruang paparan, dan karakterisasi fisik aerosol MWCNT telah dijelaskan di tempat lain [10, 18, 19]. Menggunakan fraksi pengendapan 1,5 atau 2,7% dan ventilasi menit rata-rata 186 ml/menit [5], total beban paru dengan skema paparan kami dihitung sebagai 5 mg/m
3
(konsentrasi paparan) × 186 ml/mnt (ventilasi menit) × 10
− 6
m
3
/ml (konversi volume) × 300 mnt (durasi paparan) × 1,5 atau 2,7% (fraksi deposisi alveolar), yang kira-kira sama dengan 4,2 atau 7,5 μg MWCNT pada tikus. Hanya perlu 14–25 hari paparan untuk mencapai beban paru-paru yang sama jika seorang pekerja terpapar MWCNT pada tingkat 40 μg/m
3
, yang merupakan eksposur pekerjaan manusia yang layak [19, 20].
Implantasi Pemancar Telemetri
Sebelum operasi, tikus disimpan secara terpisah, tenang, dan ditangani dengan lembut untuk menghindari kesusahan. Instrumen dan perlengkapan bedah diautoklaf, dan teknik aseptik digunakan selama prosedur pembedahan. Anestesi diinduksi dengan isofluran 3% dan 1 l per menit oksigen dalam ruang induksi dan dipertahankan pada isofluran 2% dan liter per menit oksigen selama operasi. Bantalan pemanas yang dikontrol suhu digunakan untuk menjaga suhu tubuh normal tikus yang dipantau melalui probe anal selama seluruh prosedur. Respon kardiopulmoner diperiksa sebagai teknik pemantauan intraoperatif bersama dengan refleks tulang belakang untuk menentukan kedalaman anestesi yang tepat. Situs sayatan dipotong dan kemudian disiapkan secara aseptik dengan povidone-iodine, diikuti dengan alkohol 70%. Sebuah sayatan perut garis tengah dibuat, dan aorta perut diekspos dengan menggunakan kapas steril. Kateter tekanan dari pemancar telemetri (HD-S21, Data Sciences International, St. Paul, MN) dimasukkan ke dalam aorta perut dan dipandu ke hulu. Perekat jaringan (Vetbond, Produk Perawatan Hewan 3M, St Paul, MN) digunakan untuk mengamankan kateter dan mendapatkan hemostasis. Tubuh perangkat telemetri diposisikan di bawah dinding perut di sisi lateral kiri sayatan dan diamankan di tempatnya dengan menjahit ke otot perut menggunakan jahitan 4-0 yang tidak dapat diserap (Surgical Specialties Corporation, Wyomissing, PA). Perawatan pasca operasi termasuk 5 mg/kg meloxicam (Metacam, Boehringer Ingelheim Vetmedica, Inc. St. Joseph, MO) yang diberikan secara subkutan untuk menghilangkan rasa sakit, sekali sehari selama 4 hari. Kondisi umum, berat badan, dan konsumsi makanan dan air tikus dipantau secara ketat. Tikus memiliki periode pemulihan selama 3 minggu sebelum akuisisi data dan paparan inhalasi.
Pengukuran Hemodinamik di Vivo
Fungsi ventrikel kiri sebagai respons terhadap dobutamin setelah terpapar MWCNT dievaluasi dengan kateter loop tekanan-volume yang ditempatkan di ventrikel kiri pada tikus yang dibius. Pada 1 dan 7 hari pasca pajanan, tikus dibius dengan isofluran 3% dengan 2 l oksigen per menit dalam ruang induksi dan dipertahankan pada isofluran 1-2% dengan 1 l per menit oksigen selama operasi. Respon cardiopulmonary (denyut jantung, laju napas, dan kedalaman) dan refleks tulang belakang jari kaki terjepit diperiksa sebagai teknik pemantauan intraoperatif. Suhu tubuh normal dipertahankan oleh bantalan pemanas yang dikontrol suhu dan dipantau melalui probe anal selama seluruh prosedur. Tikus ditempatkan dalam posisi dorsal recumbent, dan sayatan dipotong dan dibuat secara aseptik dengan povidone-iodine, diikuti dengan alkohol 70%. Kateter loop PV ultra-miniatur Mikro-Tip® Millar (SPR-901, Millar, Inc. Houston, TX) dimasukkan ke dalam ventrikel kiri melalui arteri karotis. Posisi ujung kateter yang benar di ventrikel kiri dikonfirmasi oleh bentuk gelombang loop tekanan-volume yang divisualisasikan pada monitor komputer. Setelah stabilisasi selama 20 menit, sinyal fungsi ventrikel kiri direkam secara terus-menerus pada laju pengambilan sampel 1000 sampel/dtk menggunakan sistem konduktansi PV (MPVS-Ultra, Millar Instruments, Houston, TX, USA) yang terhubung ke PowerLab 4/30 sistem akuisisi data (AD Instruments, Colorado Springs, CO, USA). Dobutamine, USP grade (Hospira, Inc., Lake Forest, IL), disiapkan dalam larutan garam steril farmasi (1,25, 2,5, 5, 10 μg/kg/50 l) dan diterapkan melalui vena jugularis dengan Jarum Suntik Pompa 11 Elite yang Dapat Diprogram Pump (Harvard Apparatus, Holliston, MA, USA) selama 30 detik untuk setiap dosis.
Akuisisi dan Analisis Data
Tekanan darah tikus yang bergerak bebas terjaga dicatat terus menerus selama 24 jam sebelum paparan, selama paparan MWCNT, 1 dan 7 hari setelah paparan. Pada hari pemaparan, tikus dibiarkan menyesuaikan diri dengan ruangan selama 30 menit, kemudian 5 jam (9 pagi – 2 siang) rekaman terus menerus dilakukan selama paparan. Data tekanan darah dari setiap hewan dikumpulkan dan kemudian diekspor (perangkat lunak analisis Dataquest ART; Data Sciences International) ke program spreadsheet Excel (Excel 2010, Microsoft Corporation, Seattle, WA). Tekanan darah sistolik (SBP), tekanan darah diastolik (DBP), dan tekanan darah rata-rata dirata-ratakan selama paparan 5 jam (pukul 09.00-14.00) untuk perbandingan antara kelompok kontrol dan kelompok paparan MWCNT.
Analisis Statistik
Data dibandingkan dengan menggunakan analisis variansi pengukuran berulang dua arah (perlakuan per hari). Perbandingan berpasangan berikutnya diuji menggunakan Fishers LSD. Semua data dianalisis menggunakan perangkat lunak SAS (Versi 9.3), dan perbedaan dianggap signifikan secara statistik pada tingkat p < 0,05. Nilai dalam gambar dinyatakan sebagai mean ± SE.
Hasil
Dalam penelitian ini, distribusi ukuran massa partikel dan konsentrasi massa aerosol MWCNT di kandang paparan tertutup ditentukan. Hasilnya menunjukkan diameter aerodinamis median massa 1,4 μm (Gbr. 1) dan konsentrasi massa MWCNT 5 mg/m
3
(data tidak ditampilkan).
Distribusi ukuran khas aerosol MWCNT di kandang paparan tertutup yang menunjukkan diameter aerodinamis median massa 1,4 μm
Tekanan darah diukur pada tikus yang bergerak bebas yang diinstrumentasi dengan telemetri dan dibandingkan sebagai persentase perubahan dari pra-pajanan. Hasil kami menunjukkan bahwa tekanan darah sistolik, diastolik, dan rata-rata semuanya meningkat secara signifikan selama periode paparan 5 jam pada kelompok yang terpajan MWCNT bila dibandingkan dengan kelompok kontrol (Gbr. 2a-c). Pada 1 hari pasca pajanan, meskipun persentase perubahan tekanan darah sistolik, diastolik, dan rata-rata pada kelompok terpajan MWCNT masih tetap lebih tinggi daripada kelompok kontrol, perbedaannya tidak signifikan (Gbr. 2a-c). Pada 7 hari setelah pajanan, tidak ada perbedaan tekanan darah yang diamati antara kedua kelompok (Gbr. 2a–c).
a Grafik batang yang menggambarkan perubahan persentase tekanan darah sistolik (SBP) selama periode paparan dan pada 1 dan 7 hari setelah paparan dari tingkat basal sebelum paparan (kontrol pra-pajanan vs MWCNT:127.0 ± 3.0 vs 127,6 ± 1,7 mmHg). b Grafik batang yang menggambarkan perubahan persentase tekanan darah diastolik (DBP) selama periode paparan dan pada 1 dan 7 hari setelah paparan dari tingkat basal sebelum paparan (kontrol pra-pajanan vs MWCNT:85,1 ± 2,0 vs 86,9 ± 1,2 mmHg). c Grafik batang yang menggambarkan perubahan persentase tekanan darah rata-rata (MAP) selama periode paparan dan pada 1 dan 7 hari setelah paparan dari tingkat basal sebelum paparan (kontrol pra-pajanan vs MWCNT:99,1 ± 2,3 vs 100,4 ± 1,4 mmHg). Setiap nilai mewakili mean ± SE dari delapan tikus. P < 0.01 dibandingkan dengan kelompok kontrol (*)
Fungsi jantung setelah terpapar MWCNT dievaluasi dengan mengukur kinerja ventrikel kiri sebagai respons terhadap peningkatan dosis dobutamin pada tikus yang dibius pada 1 dan 7 hari setelah paparan. Hasilnya menunjukkan bahwa paparan MWCNT sedikit menekan volume sekuncup jantung basal (SV), kerja stroke jantung (SW), dan curah jantung (CO), tetapi secara signifikan mengurangi respons volume sekuncup, kerja sekuncup, dan curah jantung terhadap peningkatan dosis. dobutamin pada 1 hari pasca pajanan (Gbr. 3, 4, dan 5). Tidak ada perbedaan yang diamati antara kedua kelompok pada 7 hari setelah pajanan (Gbr. 3, 4, dan 5). Tekanan darah dengan adanya peningkatan dosis dobutamin juga diukur, dan tidak ada perbedaan antara kelompok kontrol dan kelompok yang terpajan MWCNT (Gbr. 6).
Grafik garis yang menggambarkan perubahan persentase stroke volume (SV) dari tingkat basal sebelum paparan (kontrol pra-pajanan vs MWCNT pada 1 hari pasca:109,3 ± 7.0 vs 106,7 ± 10.4 μl, kontrol vs MWCNT pada 7 hari pasca:118,8 ± 5,7 vs 127,5 ± 3,7 μl). Setiap nilai mewakili mean ± SE dari delapan tikus. P < 0,01 terpapar dibandingkan dengan kelompok kontrol pada 1 hari setelah terpapar (*)
Grafik garis yang menggambarkan perubahan persentase kerja stroke (SW) dari tingkat basal sebelum paparan (kontrol pra-pajanan vs MWCNT pada 1 hari pasca:11276 ± 1165 vs 11.151.7 ± 727.9 mmHg × μl, kontrol vs MWCNT pada 7 hari pasca:13245 ± 893.4 vs 13.644.2 ± 536.5 mmHg × μl). Setiap nilai mewakili mean ± SE dari delapan tikus. P < 0,01 terpapar dibandingkan dengan kelompok kontrol pada 1 hari setelah terpapar (*)
Grafik garis yang menggambarkan persentase perubahan curah jantung (CO) dari tingkat basal sebelum paparan (kontrol pra-pajanan vs MWCNT pada 1 hari pasca:42243.3 ± 4500.1 vs 40.556,6 ± 2308.8 l/mnt, kontrol vs MWCNT pada 7 hari pasca:44903.3 ± 2906.0 vs 46.210 ± 1624.8 μl/mnt). Setiap nilai mewakili mean ± SE dari delapan tikus. P < 0,01 terpapar dibandingkan dengan kelompok kontrol pada 1 hari setelah terpapar (*)
Grafik garis yang menggambarkan persentase perubahan tekanan darah rata-rata (MBP) dari tingkat basal sebelum paparan (kontrol vs MWCNT pada 1 hari pasca:97.7 ± 2.8 vs 98.1 ± 2.6, kontrol vs MWCNT pada 7 hari pasca:102.5 ± 4.2 vs 100.9 ± 5.5). Setiap nilai mewakili rata-rata ± SE dari delapan tikus
Diskusi
Peran sistem saraf otonom (ANS) dalam regulasi fungsi kardiovaskular telah dipelajari dengan baik [21]. Kami melaporkan sebelumnya bahwa inhalasi paru MWCNTs mengubah variabilitas denyut jantung (HRV) dan mengurangi denyut jantung (HR) melalui peningkatan aktivitas sistem saraf simpatis dan parasimpatis pada tikus [10]. Pada pekerja, paparan paru terhadap TiO2 partikel berdiameter < 300 nm dikaitkan dengan perubahan HRV, perubahan yang konsisten dengan efek partikel pada sistem saraf otonom [22]. Dengan demikian, sebuah studi epidemiologi menegaskan bahwa komponen ultrafine partikulat di udara ambien memainkan peran kunci dalam regulasi aktivitas saraf otonom kardiovaskular [23]. Namun, mekanisme perubahan dalam sistem saraf otonom akibat paparan paru terhadap EN mempengaruhi fungsi kardiovaskular masih belum jelas. Sistem saraf simpatis dan parasimpatis cenderung bekerja secara timbal balik untuk mengatur fungsi kardiovaskular. Namun, temuan kami menunjukkan bahwa aktivitas saraf simpatis dan parasimpatis meningkat secara bersamaan setelah terpapar MWCNT [10]. Untuk menjelaskan konsekuensi dari perubahan aktivitas ANS setelah paparan EN dalam kinerja kardiovaskular, tekanan darah dicatat dan dianalisis dari tikus yang bergerak bebas yang sama yang digunakan untuk mempelajari HRV seperti yang kami laporkan sebelumnya [10]. Hasil kami menunjukkan bahwa tekanan darah sistolik, diastolik, dan rata-rata semuanya meningkat secara signifikan selama paparan MWCNT bila dibandingkan dengan kelompok kontrol (Gbr. 2a-c) dan tetap agak lebih tinggi (walaupun tidak signifikan) pada 1 hari pasca paparan. Tekanan darah yang secara signifikan lebih tinggi setelah paparan paru terhadap MWCNT tidak mungkin karena reaksi stres karena respons dipertahankan selama paparan 5 jam dan berbeda dari kontrol udara yang disaring. Reaksi stres biasanya menghasilkan respons fight-or-flight, reaksi fisiologis dengan peningkatan tekanan darah dan denyut jantung yang dipercepat dan kontraksi jantung yang lebih kuat karena efek penghambatan pada sistem saraf parasimpatis. Dalam penelitian kami sebelumnya, aktivitas sistem saraf simpatik secara langsung dirangsang oleh inhalasi MWCNT yang menunjukkan bahwa peningkatan aktivitas sistem saraf simpatis yang dirangsang oleh MWCNT bertanggung jawab atas tekanan darah yang lebih tinggi setelah terpapar MWCNT dalam penelitian ini.
Dalam penelitian ini, hasil kami menunjukkan bahwa peningkatan tekanan darah selama paparan MWCNT dikaitkan dengan penurunan denyut jantung pada tikus yang bergerak bebas dan terjaga dibandingkan dengan kelompok kontrol (berbatasan pada signifikansi statistik (p = 0,054)) (data tidak ditampilkan)). Penurunan denyut jantung yang diamati selama paparan konsisten dengan laporan kami sebelumnya bahwa ada peningkatan aktivitas saraf parasimpatis selama paparan MWCNT [10]. Bukti korelasi antara peningkatan aktivitas saraf parasimpatis dan efek pada kinerja jantung setelah paparan MWCNT didukung dengan mempelajari kinerja jantung basal dan respons jantung terhadap dobutamin, agonis reseptor -adrenergik, pada tikus yang dibius. Pada 1 hari setelah pajanan, aktivitas jantung basal dari denyut jantung, curah jantung, dan tekanan akhir sistolik ventrikel kiri semuanya lebih rendah pada tikus yang terpajan MWCNT, meskipun perbedaannya tidak mencapai perbedaan statistik (data tidak ditampilkan). Pengaruh peningkatan aktivitas saraf parasimpatis pada jantung selanjutnya ditunjukkan sebagai penurunan respons volume sekuncup, kerja jantung, dan curah jantung terhadap dobutamin (Gbr. 3, 4, dan 5). Dobutamin adalah agonis reseptor . Aktivasi reseptor di jantung meniru efek simpatis. Oleh karena itu, penurunan respons kinerja jantung terhadap dobutamin dapat disebabkan oleh penurunan aktivitas saraf simpatis. Namun, dalam penelitian ini, penurunan kinerja jantung dengan adanya dobutamin lebih mungkin diakibatkan oleh peningkatan aktivitas parasimpatis selama paparan MWCNT karena penelitian kami sebelumnya menunjukkan bahwa aktivitas saraf simpatik tetap tinggi setelah paparan MWCNT pada tikus yang bergerak bebas dan terjaga [10] . Meskipun ada perbedaan waktu untuk pengukuran tekanan darah dan fungsi jantung dari tikus yang sadar dan bergerak bebas dan tikus yang dibius, penurunan denyut jantung pada tikus yang sadar bersama dengan penurunan respons fungsi jantung terhadap dobutamin (Gbr. 3, 4, dan 5) menyiratkan peningkatan aktivitas parasimpatis dan efeknya pada jantung setelah terpapar MWCNT.
Ada dua mekanisme yang dapat berkontribusi terhadap penurunan denyut jantung dan kinerja jantung seiring dengan peningkatan tekanan darah yang terjadi dalam penelitian ini. Salah satunya adalah respons refleks baroreseptor yang sudah mapan. Yang kedua adalah peningkatan langsung output saraf parasimpatis di pusat kardiovaskular setelah menghirup MWCNT seperti yang kami laporkan sebelumnya [10]. Kedua mekanisme tersebut melibatkan sistem saraf parasimpatis tetapi dengan jalur yang berbeda. Telah diketahui dengan baik bahwa peningkatan tekanan darah dapat merangsang baroreseptor dengan meningkatkan laju potensial aksi potensial dan mengirim sinyal ke nukleus traktus solitarius (NTS), yang pada gilirannya menghambat pusat vasomotor dan merangsang nukleus vagal. , 25]. Hasil akhirnya adalah untuk mengurangi denyut jantung dan kontraktilitas jantung, yang menjaga tekanan darah dalam kisaran fluktuasi yang sempit. Dalam penelitian kami, penurunan denyut jantung dan kinerja jantung dikaitkan dengan tekanan darah yang lebih tinggi secara signifikan setelah paparan MWCNT pada tikus yang sadar, yang dapat disebabkan oleh tekanan darah tinggi yang memicu refleks baroreseptor. Namun, pada tikus yang dibius, kami tidak menemukan perbedaan dalam tekanan darah basal antara kelompok kontrol dan kelompok paparan (kontrol vs MWCNT:tekanan darah rata-rata 98,6 vs 97,9 mmHg), kemungkinan besar karena dampak anestesi [26]. Kinerja jantung pada kelompok paparan MWCNT relatif lemah pada tingkat basal dibandingkan dengan kelompok kontrol (lihat legenda Gambar 3, 4, dan 5). Menariknya, respons volume sekuncup, kerja jantung, dan curah jantung terhadap peningkatan dosis dobutamin secara signifikan lebih lemah pada tikus yang terpapar MWCNT, sementara tidak ada perbedaan dalam tekanan darah yang diukur secara bersamaan dengan fungsi jantung sebagai respons terhadap dobutamin antara kontrol. dan grup MWCNT (Gbr. 6). Pengamatan ini mengecualikan peran refleks baroreseptor dan sangat menyarankan bahwa paparan paru terhadap MWCNT dapat meningkatkan aktivitas sistem saraf parasimpatis melalui mekanisme selain refleks baroreseptor. Bukti stimulasi langsung aktivitas saraf parasimpatis oleh nanotube karbon juga diamati dalam penelitian hewan lain [27]. Studi ini menemukan bahwa nanotube karbon berdinding tunggal yang ditanamkan secara intratrakeal mengurangi denyut jantung tanpa peningkatan tekanan darah pada tikus [27]. Mempertimbangkan onset yang cepat selama paparan dan efek sementara pada ANS, tekanan darah, dan kinerja jantung, penelitian kami juga mengecualikan kemungkinan peran peradangan yang diinduksi nanopartikel dan translokasi nanopartikel dalam regulasi fungsi kardiovaskular dan mendukung hipotesis bahwa paparan paru terhadap nanopartikel dapat secara langsung mempengaruhi area otak yang bertanggung jawab untuk kontrol otonom, yang pada gilirannya mempengaruhi fungsi kardiovaskular.
Studi kami menunjukkan bahwa efek perubahan ANS yang diinduksi MWCNT pada sistem kardiovaskular tampaknya didasarkan pada distribusi saraf otonom. Pada sistem vaskular, pembuluh darah terutama dipersarafi oleh saraf simpatis, sebagian besar saraf simpatis ini melepaskan norepinefrin (NE) yang berikatan dengan 1 reseptor adrenergik untuk menyebabkan penyempitan pembuluh darah. Di dalam tubuh, hanya ada beberapa jenis pembuluh darah yang dipersarafi oleh saraf kolinergik parasimpatis atau saraf kolinergik simpatis, keduanya melepaskan asetilkolin (ACh) yang berikatan dengan reseptor muskarinik sehingga menyebabkan pelebaran pembuluh darah. Oleh karena itu, efek keseluruhan dari peningkatan aktivitas saraf simpatis dan parasimpatis adalah meningkatkan tekanan darah melalui penyempitan pembuluh darah. Jantung dipersarafi oleh serat parasimpatis dan simpatis yang bekerja secara timbal balik untuk memodulasi denyut jantung (kronotropi), kekuatan kontraksi (inotropi), dan relaksasi (lusitropi) [28, 29]. Paparan MWCNT menginduksi denyut jantung yang lebih lambat dan mengurangi volume sekuncup, kerja sekuncup, dan curah jantung sebagai respons terhadap dobutamin (Gbr. 3, 4, dan 5), menunjukkan bahwa peningkatan aktivitas sistem saraf parasimpatis dominan dalam mengendalikan denyut jantung dan kinerja jantung mengikuti paparan paru terhadap MWCNT, bahkan dalam menghadapi peningkatan aktivitas simpatis.
Penelitian ini adalah yang pertama melaporkan bahwa paparan MWCNT menginduksi perubahan pada ANS, yang secara signifikan dapat mempengaruhi fungsi kardiovaskular. Meskipun efek dari MWCNT inhalasi pada tekanan darah, detak jantung, dan fungsi jantung diamati terutama selama periode paparan, dan peningkatan sementara tekanan darah dan kinerja jantung yang tertekan beradaptasi dengan cepat pada hewan sehat, perubahan sementara pada fungsi kardiovaskular bisa menjadi faktor risiko dalam memicu kejadian kardiovaskular pada mereka yang memiliki kondisi kardiovaskular yang sudah ada sebelumnya seperti gagal jantung dan hipertensi. Sebuah studi in vivo iskemia/reperfusi (I/R) baru-baru ini menunjukkan bahwa paparan paru terhadap MWCNT secara signifikan meningkatkan cedera I/R bahkan tanpa adanya respon inflamasi sirkulasi yang signifikan [30]. Telah dipelajari dengan baik bahwa gangguan pada sistem saraf otonom dapat meningkatkan cedera I/R yang menghasilkan lebih banyak kerusakan jaringan jantung selama iskemia jantung [31]. Selama gagal jantung, jantung tidak memompa cukup darah ke paru-paru untuk pertukaran oksigen dan ke seluruh tubuh untuk mempertahankan fungsi organ yang tepat karena kelemahan otot jantung. Dalam keadaan terganggu itu, peningkatan lebih lanjut tekanan darah dan pengurangan kontraktilitas jantung oleh paparan MWCNT dapat mengakibatkan memburuknya fungsi kardiovaskular dan perfusi organ yang sudah terganggu. Studi kami dengan jelas menunjukkan bahwa paparan MWCNT dapat merangsang aktivitas ANS yang terkait dengan perubahan fungsi kardiovaskular. Pengamatan dari penelitian kami mungkin relevan dengan kesimpulan dari American Heart Association bahwa paparan partikel < 2,5 μm di udara sekitar hanya beberapa jam atau minggu dapat memicu mortalitas dan morbiditas terkait penyakit kardiovaskular pada orang dengan penyakit kardiovaskular yang sudah ada sebelumnya. kondisi [16].
Kesimpulan
Pengamatan dalam penelitian ini memberikan bukti mendasar untuk mendukung temuan kami sebelumnya dan hipotesis bahwa paparan paru terhadap nanopartikel dapat mempengaruhi fungsi kardiovaskular karena perubahan aktivitas ANS. Sebagai kesimpulan, penelitian kami menunjukkan bahwa paparan terhadap perubahan ANS yang diinduksi MWCNT dapat secara signifikan mempengaruhi fungsi kardiovaskular. Further studies are warranted to investigate whether the transient alterations in cardiovascular function can cause more severe adverse impact on those with pre-existing cardiovascular conditions.
