Cardiac actions of silica nanoparticles

J Pharm Pharmacogn Res 4(6): 217-223, 2016.

Short Communication | Comunicación Corta

Negative inotropic and dromotropic actions of SiO2 nanoparticles on isolated rat hearts: Effects on Na+ and Ca2+ currents

[Acciones inotropo y dromotropo negativas de nanopartículas de SiO2 en corazones aislados de ratas: Efectos sobre las corrientes de Na+ y Ca2+]

Julio Alvarez-Collazo1,2,#, Loipa Galán-Martínez1,#, Alicia Fleites-Vazquez1, Alicia Sánchez-Linde2, Karel Talavera-Pérez2, Julio L. Alvarez1*

1Laboratorio de Electrofisiología. Instituto de Cardiología y Cirugía Cardiovascular. Paseo y 17, Vedado, CP 10400, La Habana. Cuba.
2Laboratory of Ion Channel Research and TRP Research Platform Leuven, Department of Cellular and Molecular Medicine, KU Leuven, Leuven, Belgium.
#Both authors contributed equally.

*E-mail: alvarezj@infomed.sld.cu

Abstract

Context: SiO2 nanoparticles (NP) are widely used in the industry and in varied biotechnological and medical applications. However, epidemiological studies suggest that pollution with fine particles (in which silica is an inorganic component) may increase morbidity and mortality from cardiovascular diseases, but little is known about their potential cardiovascular actions.

Aims: To study the actions of SiO2 nanoparticles on the electrical and contractile activity of rat hearts and to identify the possible underlying cellular mechanisms.

Methods: Surface electrogram (ECG) and force of contraction (FC) was recorded in isolated rat hearts. Na+ and Ca2+ currents (INa and ICaL, respectively) were recorded, with the patch-clamp technique, in enzymatically isolated rat ventricular cardiomyocytes.

Results: SiO2 NP (1-30 µg/mL) decreased the FC and markedly increased QRS duration and QT interval in spontaneously beating hearts. Electric stimulation (RR = 400 ms) partially restored the FC. In patch-clamp experiments NP (30 µg/mL) decreased INa in a use-dependent manner and increased ICaL.

Conclusions: SiO2 nanoparticles exert a negative inotropic action in rat hearts due, in part, to a decrease in the fast sodium current responsible for cardiac depolarization. SiO2 nanoparticles are also able to increase the L-type Ca2+ current. These actions should be taken into account when analyzing the toxic effects of these nanoparticles.

Keywords: calcium channels; heart; nanoparticles; patch-clamp; silica; sodium channels.

Resumen

Contexto: Las nanopartículas de SiO2 (NP) se utilizan ampliamente en la industria y en variadas aplicaciones biotecnológicas y médicas. No obstante, hay estudios epidemiológicos que sugieren que la polución con partículas finas (en las que la sílica es un componente inorgánico) pueden aumentar la morbilidad y mortalidad por enfermedades cardiovasculares, pero poco se conoce sobre sus potenciales acciones cardiovasculares.

Objetivos: Estudiar las acciones de nanopartículas de SiO2 sobre las actividades eléctrica y contráctil de corazones de rata e identificar los posibles mecanismos subyacentes.

Métodos: Se registró el electrograma de superficie (ECG) y la fuerza de contracción (FC) en corazones aislados de rata. Las corrientes de Na+ y Ca2+ (INa and ICaL, respectivamente) se registraron, con la técnica de patch-clamp, en cardiomiocitos ventriculares de rata aislados enzimáticamente.

Resultados: Las NP de SiO2 (1-30 µg/mL) disminuyeron la FC y aumentaron marcadamente la duración del QRS y el QT en corazones espontáneos. La estimulación eléctrica (RR = 400 ms), restauró parcialmente la FC. En los experimentos con patch-clamp, las NP (30 µg/mL) disminuyeron INa de manera dependiente del uso e incrementaron ICaL.

Conclusiones: Las nanopartículas de SiO2 ejercen una acción inotropo negativa en corazones de rata debido, en parte, a una reducción de la corriente rapida de sodio responsable de la despolarización cardíaca. Las NP de SiO2 también aumentaron la corriente de Ca2+ tipo L. Estas acciones deben ser tomadas en consideración al analizar los efectos tóxicos de estas nanopartículas.

Palabras Clave: canales de calcio; canales de sodio; corazón; nanopartículas; patch-clamp; silica.

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Citation Format: Álvarez-Collazo J, Galán-Martínez L, Fleites-Vázquez A, Sánchez-Linde A, Talavera-Pérez K, Álvarez JL (2016) Negative inotropic and dromotropic actions of SiO2 nanoparticles on isolated rat hearts: Effects on Na+ and Ca2+ currents. J Pharm Pharmacogn Res 4(6): 217-223.

© 2016 Journal of Pharmacy & Pharmacognosy Research (JPPRes)