The influence of the environment on brain cell dysfunctions. Spectroscopic studies.

Rozwój cywilizacyjny i efekt starzenia się populacji spowodowały, że w sposób wyraźny rośnie udział chorób mózgu we wszystkich chorobach populacji ludzkiej. Jednym z wielu problemów jakie napotykają badacze jest trudność w badaniu bariery krew-mózg będącej granicą między krwią a ośrodkowym układem nerwowym i stanowiącej kanał transferu substancji, w tym leków, do mózgu. Dotychczasowe prace wykazały, że modele komórkowe 2D i 3D są obiecującymi narzędziami do badań wpływu czynników przenikających z krwi do mózgu poprzez komórki tworzące BBB, a także badań wpływu warunków symulujących dysfunkcje mózgu.W niniejszej pracy skupiono się na problematyce wpływu czynników środowiskowych (hipoksji i obecności HgCl2) na komórki tworzące barierę krew-mózg, a w szczególności analizie poddano komórki astrocytów oraz śródbłonka naczyń włosowatych mózgu hodowane w różnych warunkach środowiskowych. W ocenie tych zjawisk niezwykle użyteczne są zaproponowane w tej pracy metody spektroskopowe: spektroskopia absorpcyjna w podczerwieni z transformacją Fouriera (FT-IR) oraz spektroskopia Ramana, jako metody nieniszczące i niewymagające od próbki szczególnych przygotowań. Opracowanie wyników wymagało zastosowania kilku metod chemometrycznych: KMCA, MCR i PCA. Przeprowadzone badania i analizy wykazały, że środowisko ma wpływ na strukturę biochemiczną komórek astrocytów i śródbłonków mózgowych naczyń włosowatych. Analiza KMCA oraz widm średnich z obrazowania ramanowskiego wykazała obecność odrębnych klas spektralnych odpowiadających poszczególnym elementom komórkowym. Zaobserwowano charakterystyczne trendy świadczące o zmianach w jądrze, mitochondriach a także składzie białkowo-lipidowym. Szczególnie wyraźny wpływ zaobserwowano w warunkach hipoksji, co potwierdza jej istotne oddziaływanie na podstawowe procesy wewnątrzkomórkowe. Analiza MCR w oparciu o obrazy ramanowskie uwidoczniła w badanych komórkach największe różnice w klasie kropli lipidowych oraz cytochromów pod wpływem HgCl2. Analiza ta pozwoliła też na wykrycie różnic pomiędzy odpowiedzią astrocytów i komórek endotelium na warunki stresowe, co zostało potwierdzone poprzez analizę PCA widm z podczerwieni, podkreślając większą czułość astrocytów na badane czynniki.

The development of civilization and the effect of population aging have resulted in a clear increase in the share of brain diseases in all diseases of the human population. One of the many problems faced by researchers is the difficulty of studying the blood-brain barrier, which is the boundary between blood and the central nervous system and is a channel for the transfer of substances, including drugs, to the brain. Previous work has shown that 2D and 3D cell models are promising tools for studying the impact of factors penetrating from the blood to the brain through the blood-brain barrier cells, as well as studying the impact of conditions that simulate brain dysfunction.This paper focuses on the impact of environmental factors (hypoxia and the presence of HgCl2) on the cells forming the blood-brain barrier, and in particular the analysis of astrocytes and endothelial cells of brain capillaries. In the assessment of these phenomena, the spectroscopic methods proposed in this paper: Fourier transform infrared absorption spectroscopy (FT-IR) and Raman spectroscopy are extremely useful, as they are non-destructive methods and do not require special preparation from the sample. Several chemometric methods were required to develop the results: KMCA, MCR and PCA. Studies and analyses have shown that the biochemical structure of astrocyte cells and capillary endothelium cells is affected by the environment. Analysis of KMCA and mean spectra from Raman imaging showed the presence of distinct spectral classes corresponding to individual cellular elements. Characteristic trends were observed, indicating changes in the nucleus, mitochondria and protein-lipid composition. A particularly pronounced effect was observed under hypoxia, which confirms its significant impact on basic intracellular processes. The analysis of MCRs based on Raman images revealed the greatest differences in the class of lipid droplets and cytochromes under the influence of HgCl2 in the studied cells. This analysis also allowed to detect differences between the response of astrocytes and endothelial cells to stress conditions, which was confirmed by the PCA analysis of infrared spectra, emphasizing the greater sensitivity of astrocytes to the studied factors.