Exposição Pulmonar a Nanotubos de Carbono de Parede Múltipla Eleva Pressão Arterial e Prejudica Função Cardíaca em Ratos

Resumo

Contexto

A variabilidade da frequência cardíaca (VFC) é um marcador sensível do equilíbrio do sistema nervoso autônomo (SNA) e prediz desfechos cardiovasculares. Trabalho prévio de nosso laboratório demonstrou que a inalação de nanotubos de carbono de parede múltipla (MWCNTs) em ratos aumenta tanto o tônus simpático quanto parassimpático, implicando que nanopartículas engenheiradas (ENs) podem modificar a função cardiovascular. O presente estudo estende essas observações registrando pressão arterial, frequência cardíaca e desempenho cardíaco em tempo real após inalação de MWCNTs, e vinculando essas mudanças a alterações na VFC.

Métodos

Ratos Sprague-Dawley machos (275–300 g) foram cirurgicamente implantados com um transmissor de telemetria (HD-S21, Data Sciences International) e expostos a um aerossol de MWCNTs a 5 mg/m³ por 5 h. Dados contínuos de eletrocardiograma (ECG) e pressão arterial foram coletados antes, durante e 1 e 7 dias após a exposição. A função cardíaca foi avaliada em ratos anestesiados usando cateter de laço pressão-volume (PV) (Millar SPR-901) e infusão graduada de dobutamina (1,25–10 µg/kg).

Resultados

A inalação de MWCNTs produziu um aumento rápido, dependente da dose, na pressão arterial sistólica, diastólica e média (PAM) que persistiu pelo período de exposição de 5 h (p < 0,01) e permaneceu modestamente elevada a 1 dia pós-exposição (p < 0,05). A frequência cardíaca caiu durante a exposição, tendendo à significância (p = 0,054). Em ratos anestesiados, a exposição a MWCNTs deprimiu levemente o volume sistólico (VS), trabalho sistólico (TS) e débito cardíaco (DC) basais, e reduziu marcadamente o aumento induzido por dobutamina de VS, TS e DC a 1 dia pós-exposição (p < 0,01). Nenhuma diferença significativa foi observada a 7 dias pós-exposição. As respostas de pressão arterial à dobutamina não mudaram entre grupos.

Conclusões

A exposição pulmonar a MWCNTs eleva transitoriamente a pressão arterial e amortece a responsividade cardíaca em ratos, provavelmente através da ativação simultânea de vias simpáticas e parassimpáticas que alteram o equilíbrio do SNA. Esses achados ressaltam a necessidade de investigar se tais perturbações autonômicas podem precipitar eventos cardiovasculares em populações suscetíveis.

Introdução

Com o uso industrial crescente de nanomateriais, a exposição ocupacional está aumentando, e estudos em animais vincularam exposição pulmonar de curto prazo a nanopartículas engenheiradas (ENs) com inflamação pulmonar, fibrose e carcinogênese. Evidências emergentes indicam que ENs também afetam a saúde cardiovascular via inflamação, translocação ou mecanismos neurais. Nossas próprias investigações mostraram que exposição de baixa dose a dióxido de titânio ultrafino (UFTiO₂) e MWCNTs inflama modestamente o pulmão, mas desencadeia aumentos transitórios na síntese periférica de neurotransmissores e mudanças na VFC, sugerindo mediação neuronal em vez de contato cardíaco direto.

O SNA mantém a homeostase cardiovascular; distúrbios podem levar a hipertensão, arritmias ou acidente vascular cerebral. Dados epidemiológicos demonstram que até breve inalação de poluição por partículas, especialmente partículas ultrafinas, aumenta a morbidade cardiovascular deslocando o equilíbrio do SNA. Como partículas nano-sized penetram profundamente nos alvéolos e bypassam a depuração mucociliar, elas podem estimular neurônios sensoriais pulmonares continuamente, potencialmente alterando o controle autonômico central.

Métodos

Preparação dos Animais

Ratos Sprague-Dawley machos foram aclimatados por uma semana, alojados em condições livres de patógenos específicos e monitorados quanto à saúde. Todos os procedimentos foram aprovados pelo Comitê de Cuidado Animal do NIOSH.

Exposição a MWCNTs

Ratos foram expostos individualmente em gaiolas seladas conectadas a uma câmara de aerossol principal via tubulação antiestática. Um aerossol de MWCNTs a 5 mg/m³ (diâmetro aerodinâmico mediano de massa 5 µm) foi gerado e caracterizado por impactador em cascata e análise gravimétrica. Carga pulmonar estimada por rato foi ~5–7 µg, comparável a exposições ocupacionais.

Implantação de Telemetria

Sob anestesia com isoflurano, a aorta abdominal foi canulada com cateter de telemetria e o dispositivo fixado sob a parede abdominal. Analgesia pós-operatória foi fornecida, e os animais tiveram recuperação de 3 semanas antes da exposição.

Medidas Hemodinâmicas

Em ratos anestesiados, um cateter de laço PV Millar foi avançado pela artéria carótida até o ventrículo esquerdo. Gravações basais foram estabilizadas por 20 min antes da infusão de dobutamina em doses incrementais (1,25–10 µg/kg). Sinais foram amostrados a 1 kHz e analisados com sistema MPVS-Ultra.

Aquisição e Análise de Dados

Pressão arterial foi registrada continuamente por 24 h pré-exposição, durante a exposição de 5 h, e a 1 e 7 dias pós-exposição. Dados foram exportados para Excel e analisados por ANOVA de medidas repetidas com LSD de Fisher; p < 0,05 considerado significativo.

Resultados

A Figura 1 ilustra a distribuição de tamanho do aerossol (diâmetro aerodinâmico mediano de massa 1,4 µm). Durante a exposição, pressões sistólica, diastólica e média aumentaram significativamente em relação a controles de ar filtrado (Figura 2). A 1 dia pós-exposição, elevações de pressão persistiram mas não foram estatisticamente significativas; por 7 dias, pressões retornaram ao basal.

Análise de laço PV cardíaco (Figuras 3–5) revelou que exposição a MWCNTs reduziu levemente VS, TS e DC basais e atenuou marcadamente o aumento induzido por dobutamina nesses parâmetros a 1 dia pós-exposição. Nenhuma diferença foi vista a 7 dias. Respostas de pressão arterial média à dobutamina foram inalteradas (Figura 6).

Discussão

Nossos achados confirmam que exposição pulmonar a MWCNTs eleva a pressão arterial em ratos em livre movimento, provavelmente através de ativação simpática. Concurrentemente, a frequência cardíaca cai e a responsividade cardíaca à estimulação β-adrenérgica é atenuada, consistente com tônus parassimpático aumentado. O aumento simultâneo de ambas atividades simpática e parassimpática sugere modulação complexa do SNA em vez de resposta barorreflexa simples.

Mecanismos possíveis incluem estimulação direta de núcleos autonômicos centrais por partículas inaladas ou ativação neuronal periférica bypassando o reflexo barorreceptor. Importante, essas mudanças autonômicas ocorrem rapidamente e resolvem dentro de dias, mas podem representar gatilho para eventos cardiovasculares em indivíduos suscetíveis.

Conclusões

A inalação de MWCNTs induz mudanças autonômicas transitórias que elevam a pressão arterial e prejudicam a função cardíaca em ratos. Pesquisa adicional é necessária para determinar se esses efeitos exacerbam risco cardiovascular em populações com doença pré-existente.

Abreviações

CNTS

Nanotubos de carbono

CO

Débito cardíaco

DBP

Pressão arterial diastólica

ECG

Eletrocardiograma

ENs

Nanopartículas engenheiradas

HR

Frequência cardíaca

HRV

Variabilidade da frequência cardíaca

MAP

Pressão arterial média

MWCNTs

Nanotubos de carbono de parede múltipla

SBP

Pressão arterial sistólica

SV

Volume sistólico

SW

Trabalho sistólico