矽肺動物模型的研究進(jìn)展

甘永金　李羨筠

【摘? 要】矽肺是由于生產(chǎn)作業(yè)過程中長期吸入大量含游離二氧化硅（silica dioxide，SiO₂）粉塵所致的職業(yè)病，其典型病變是肺組織內(nèi)矽結(jié)節(jié)形成和彌漫性肺間質(zhì)纖維化^[1]。無論是在發(fā)展中國家還是發(fā)達(dá)國家，矽肺的發(fā)病率與病死率都是棘手的問題。

【關(guān)鍵詞】矽肺;大鼠;小鼠;兔子;犬;豬;動物模型;研究進(jìn)展

【中圖分類號】R965.1????? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A???? ?【文章編號】1672-3783（2019）04-0262-02

在全球范圍內(nèi)，矽肺病正在危害著數(shù)以千萬計的工人的健康和生命，始終是國際勞工組織及世界衛(wèi)生組織的關(guān)注重點(diǎn)^[1]。大量關(guān)于矽肺的研究均通過動物實(shí)驗，且需成功制作矽肺動物模型。本文就近十年來矽肺動物模型的應(yīng)用及復(fù)制方法作綜述。

1 矽肺動物模型制備方法

以下3種方法常被用來建立矽肺動物模型：①支氣管直接注入法（非暴露式管注入法）。該方法操作簡單、粉塵注入量較準(zhǔn)確，且不需要對動物進(jìn)行有創(chuàng)傷性的操作，不會增加感染風(fēng)險。但操作人員需操作技熟練，避免將粉塵混懸液誤注入動物胃內(nèi)。②氣管暴露注入法。優(yōu)點(diǎn)是注入動物體內(nèi)的粉塵劑量較精確，且注入部位準(zhǔn)確、誤注入食管的機(jī)會極小，成功率較高。缺點(diǎn)是需要將動物氣管切開，使其暴露于外界環(huán)境中，感染機(jī)會增多，死亡率有可能隨之增加。③吸入法。是露方式與職業(yè)接觸SiO₂的方式相近，極其符合人體肺纖維化的發(fā)生發(fā)展全過程。缺點(diǎn)是染塵時間較長，資金投入較多，實(shí)驗成本較高。

1.1 支氣管直接注入法? 劉微^[2]采用支氣管直接注入法直接向大鼠氣管內(nèi)一次性注入質(zhì)量濃度為50 g/L的矽塵混懸液（SiO₂純度≥80%，粒徑大小為1.0～5.0 μm）1.0 mL，并于染塵第1、3、5、7、14、28、42、56天觀察相關(guān)指標(biāo)，結(jié)果顯示，隨著觀察時間的增加，大鼠肺臟器系數(shù)、肺組織中HPY水平持續(xù)性增加。染塵第1天可見肺組織中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞輕度浸潤;染塵第3、5天可見巨噬細(xì)胞逐漸聚集、肉芽腫結(jié)節(jié)形成、膠原纖維開始蓄積;染塵第7天小肉芽腫融合成為較大的肉芽腫、膠原纖維的蓄積增多、形成膠原性結(jié)節(jié);染塵第14天細(xì)胞結(jié)節(jié)數(shù)量增多、體積變大、發(fā)生進(jìn)行性纖維化;染塵第28天肺泡間隔遭到損壞、發(fā)生大面積纖維化;染塵第42天成巨大的纖維性結(jié)節(jié);染塵第56天時纖維性結(jié)節(jié)已很明顯。李穎等^[16]采用支氣管直接注入法直接向大鼠氣管內(nèi)注入質(zhì)量濃度為50 g/L的矽塵混懸液（SiO₂純度≥98%，粒徑≤5.0 μm）1.0 mL，4周后再次染塵，染塵第8周處死大鼠。肺組織病理切片結(jié)果顯示，大鼠肺泡間隔增厚，肺泡結(jié)構(gòu)紊亂，肺泡腔及間質(zhì)內(nèi)有大量炎性細(xì)胞浸潤，可見纖維性矽結(jié)節(jié)形成;并觀察到大鼠血清及肺組織中丙二醛（malondialdehyde，MDA）水平明顯增高^[3]。

1.2 氣管暴露注入法? 程燚等^[4]采用氣管暴露注入法予大鼠氣管內(nèi)一次性注入SiO₂懸濁液（SiO₂純度為99%，粒徑≤5.0 μm）染毒，C組SiO₂注射質(zhì)量濃度為60 g/L（Cl組：0.5 mL，C2組：l.0 mL，C3組：1.5 mL），對照組注射等體積0.9%氯化鈉溶液。染塵21 d后處死大鼠，取肺組織，進(jìn)行肺組織HE染色觀察。結(jié)果顯示，SiO₂組大鼠雙肺體積增大可見小片狀凹凸不平的蒼白灶，肺部有明顯的纖維化現(xiàn)象，與對照組比較，注射二氧化硅組隨著二氧化硅注射濃度和劑量變化大鼠肺部纖維化現(xiàn)象明顯。HE染色可見，肺組織水腫，肺泡隔增寬，炎性細(xì)胞浸潤，以巨噬細(xì)胞為主，部分肺泡斷裂、融合、閉塞，肺泡結(jié)構(gòu)破壞明顯肺組織局部可見大片的團(tuán)塊狀炎癥浸潤和纖維化灶成纖維細(xì)胞大量增生間質(zhì)膠原纖維增生呈帶狀，細(xì)支氣管腔內(nèi)可見分泌物;而對照組大鼠肺呈粉紅色表面光滑，HE染色無任何異常。李丹等^[5]采用氣管暴露注入法建立矽肺小鼠模型。向小鼠氣管內(nèi)一次性注入質(zhì)量濃度為50 g/L的矽塵混懸液（SiO₂純度為95%，粒徑<5.0 μm）100.0 μL，結(jié)果顯示，血管平滑肌細(xì)胞、支氣管上皮細(xì)胞及巨噬細(xì)胞堿性成纖維細(xì)胞生長因子（basic fibroblast growth factor，bFGF））均有表達(dá)，且以平滑肌細(xì)胞為主;染塵組小鼠第28 d肺組織的細(xì)胞結(jié)節(jié)內(nèi)出現(xiàn)bFGF弱陽性表達(dá);肺組織成纖維細(xì)胞生長因子受體-1高表達(dá)于結(jié)節(jié)內(nèi)的肺巨噬細(xì)胞，血管平滑肌細(xì)胞及間質(zhì)細(xì)胞，且表達(dá)量隨染塵時間和結(jié)節(jié)面積的增加而加強(qiáng);肺組織病理學(xué)檢查顯示，染塵組小鼠第7 d雙肺大面積肺泡結(jié)構(gòu)破壞，可見肺泡壁增厚，氣管及血管周圍炎性細(xì)胞浸潤，巨噬細(xì)胞大量增加;染塵第14 d肺組織炎癥減弱，肺泡壁明顯增厚，出現(xiàn)較明顯的以單核巨噬細(xì)胞樣細(xì)胞為主的細(xì)胞性結(jié)節(jié)。染塵第21 d時結(jié)節(jié)內(nèi)開始出現(xiàn)成纖維細(xì)胞增生，細(xì)胞性矽結(jié)節(jié)明顯增多，結(jié)節(jié)面積增大;染塵第28 d細(xì)胞結(jié)節(jié)個數(shù)增多，面積增大，充斥整個肺部，但仍以細(xì)胞性結(jié)為主。左斌等^[6]采用氣管暴露注入法予大鼠氣管內(nèi)一次性注入質(zhì)量濃度為50 g/L的SiO₂懸濁液（SiO₂純度為99%，粒徑大小為0.5～10.0 μm）200.0 μL，并于染塵后第 3、7、14 天分批處死動物，進(jìn)行觀察。結(jié)果顯示，染塵第3天SiO₂組大鼠肺部表現(xiàn)為明顯的急性炎癥，可見肺泡壁水腫、肺泡腔內(nèi)肺泡巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞增多;染塵第7天可見肺泡間隔增厚，成纖維細(xì)胞、毛細(xì)血管增多;染塵第14天可見肺泡壁或/和支氣管壁有纖維性增厚，伴有肺泡構(gòu)的破壞，有矽肺結(jié)節(jié)形成。

1.3 吸入染塵法? 有學(xué)者^[6]采用 HPOE-MED8050動式染塵控制系統(tǒng)對大鼠進(jìn)行SiO₂質(zhì)量濃度為170～190 mg/m³的吸入染塵，每天染塵2 h，分別于染塵第1、3、7 d及2、4、8、12周處死大鼠，進(jìn)行HPY觀察。結(jié)果顯示，各染塵組肺臟器系數(shù)和肺組織內(nèi)HPY水平隨染塵時間延長而逐漸增加;病理組織學(xué)觀察，染塵第1天組肺組織輕度充血、水腫;染塵第7天組血管周圍可見較多炎細(xì)胞圍繞，以單核細(xì)胞和淋巴細(xì)胞為主;染塵第2周組可見肺泡內(nèi)有紅染物及泡沫細(xì)胞;染塵第4周組巨噬細(xì)胞呈結(jié)節(jié)狀，肺泡上皮細(xì)胞部分脫落，少量纖維組織增生;染塵第8周組纖維性增生更甚，同時可見肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞腺管樣增生;染塵第12周組出現(xiàn)纖維性結(jié)節(jié)。采用^[7]HPOE-MED8050動式染塵控制系統(tǒng)對大鼠進(jìn)行SiO₂質(zhì)量濃度為2 000 mg/m³的吸入染塵，每天染塵3 h，染塵第16周處死大鼠進(jìn)行觀察，結(jié)果顯示，馬松三色染色顯示肺組織結(jié)節(jié)及間質(zhì)纖維化區(qū)域出現(xiàn)藍(lán)紫色膠原沉積;免疫熒光結(jié)果顯示肺組織纖維化病變區(qū)域α-平滑肌肌動蛋白表達(dá)增強(qiáng)。

2 矽肺動物模型的應(yīng)用

2.1 矽肺發(fā)病機(jī)制研究? 矽肺的發(fā)病機(jī)制目前仍不完全清楚，比較公認(rèn)的矽肺發(fā)病機(jī)制有矽塵毒性、脂質(zhì)過氧化作用、肺內(nèi)細(xì)胞機(jī)制、細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)等。通過建立大鼠矽肺模型在矽肺纖維化的發(fā)展中呈高表達(dá)，可能在矽肺的發(fā)展中發(fā)揮重要作用^[8-9]。通過二氧化硅刺激大鼠建立矽肺大鼠模型，結(jié)果顯示^[10-12]，在實(shí)驗早期（染塵第1～21 天），Th1相關(guān)趨化性細(xì)胞因子IP-10升高，表明矽肺大鼠體內(nèi)以趨化的輔助性T細(xì)胞（helper T cells，Th）細(xì)胞介導(dǎo)的細(xì)胞免疫反應(yīng)為主;而實(shí)驗中期（染塵第28～35天），Th2相關(guān)趨化性細(xì)胞因子（thymus and activation regulated chemokine，TARC）的表達(dá)增強(qiáng)，同時IP-10表達(dá)有所減弱，說明矽肺大鼠體內(nèi)細(xì)胞免疫反應(yīng)開始降低，以TARC趨化的Th2細(xì)胞介導(dǎo)的體液免疫應(yīng)答開始增強(qiáng);該研究還觀察到矽肺大鼠體內(nèi)Th1特異性轉(zhuǎn)錄因子T細(xì)胞T盒蛋白在實(shí)驗早期時顯著升高，說明其可能參與矽肺早期抗纖維化的調(diào)節(jié)。通過建立矽肺動物模型，研究顯示^[13]，在實(shí)驗性矽肺的發(fā)生發(fā)展過程中，循環(huán)纖維細(xì)胞可以由周圍血遷移至肺部，炎癥反應(yīng)期肺內(nèi)循環(huán)纖維細(xì)胞來源的肌成纖維細(xì)胞增多最明顯，比例最高可達(dá)35%，是肌成纖維細(xì)胞的重要來源。通過建立大鼠矽肺動物模型發(fā)現(xiàn)^[14-15]，N-乙?；?絲氨酰-天冬氨酰-賴氨酰-脯氨酸可通過緩解內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激引發(fā)的半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶12和蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶/真核起始因子-2α通路的激活而抑制SiO₂誘導(dǎo)的肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞凋亡。

2.2 矽肺治療藥物研究? 目前尚無徹底治療矽肺的方法，人們一直試圖尋找有效、無不良反應(yīng)小的矽肺治療藥物，為此進(jìn)行了大量的研究。通過制備大鼠矽肺模型^[16-18]，觀察到白芨多糖（從蘭科植物白芨的干燥塊莖，白芨塊莖經(jīng)水提醇沉所得的—種雜多糖）可在一定程度上延緩或抑制矽肺病變的發(fā)展。王娜等^[19]通過建立大鼠矽肺模型，研究顯示，多具鳥苷具有治療矽肺纖維化作用。徐崢嶸等^[20]通過建立大鼠矽肺模型，證實(shí)牛磺酸對矽塵誘導(dǎo)大鼠肺組織巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、淋巴細(xì)胞的趨化具有抑制作用。在大鼠造模后第2天開始腹腔注射依達(dá)拉奉（4 mL/kg﹒d），連續(xù)28 d，該實(shí)驗證實(shí)依達(dá)拉奉可降低大鼠肺組織自由基及轉(zhuǎn)化生長因子-β水平，對矽肺大鼠有較好的治療作用。

3 展望

矽肺是一種嚴(yán)重危害人類身體健康的職業(yè)病，國內(nèi)外許多研究者都致力于矽肺纖維化機(jī)制的研究。其研究方法大多利用動物模型來模擬人體肺纖維化的進(jìn)程，以探究其發(fā)生機(jī)理。動物模型的成功建立是探討肺纖維化發(fā)生發(fā)展機(jī)制的關(guān)鍵步驟，為矽肺的預(yù)防、診斷、治療等方面研究提供了有效的途徑。

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