張行行,趙 麓,孫欠欠,趙安東,周甜雨,王 川,劉繼平,王 斌
(陜西中醫(yī)藥大學(xué),陜西省中醫(yī)藥管理局中藥藥效機(jī)制與物質(zhì)基礎(chǔ)重點(diǎn)研究室,陜西 咸陽 712046)
細(xì)顆粒物(particulate matter 2.5,PM2.5)是指空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于2.5 μm的大氣顆粒物,是目前我國(guó)空氣污染物的主要組成。近年來空氣污染成為社會(huì)性熱點(diǎn)。由于PM2.5粒徑極小,可以經(jīng)鼻腔、呼吸道而到達(dá)肺,一部分在上呼吸道和肺泡腔沉積引起肺部損傷和炎癥反應(yīng)[1],另一部分經(jīng)肺循環(huán)進(jìn)入全身血液,引起嚴(yán)重的心血管疾?。?]。相關(guān)研究表明,大氣中PM2.5水平與呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)病率及死亡率密切相關(guān),大氣中PM2.5濃度每增加10 μg/m3,哮喘病患者人數(shù)增加1.5%[3];動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明,急性或慢性暴露于PM2.5均能引發(fā)肺部炎癥[4-5]。因此,PM2.5對(duì)人體健康的危害程度遠(yuǎn)大于其他粒徑較大的顆粒物,也成為一個(gè)研究熱點(diǎn),使得高效、簡(jiǎn)易、計(jì)量準(zhǔn)確的造模方法成為研究該領(lǐng)域的迫切需要。
氣道染毒是構(gòu)建肺部損傷模型、研究呼吸系統(tǒng)疾病的重要手段,而目前氣道染毒沒有統(tǒng)一的方式,常用的氣道給藥方式包括暴露式氣管滴注、非暴露式氣管滴注和鼻內(nèi)滴注[6]。通過這3種方式給予PM2.5均能造成肺損傷,但暴露式氣管滴注需暴露組織,且適用于單次染毒,故不在本次實(shí)驗(yàn)研究范圍。非暴露式氣管滴注通過氣管插管將PM2.5混懸液直接注射入肺腔導(dǎo)致肺損傷,而鼻內(nèi)滴注利用重力和大鼠呼吸吸入使PM2.5到達(dá)肺部而引起肺損傷。因此,本課題組擬通過對(duì)比這2種方式給予相同劑量PM2.5混懸液對(duì)大鼠Th2應(yīng)答影響,為研究呼吸系統(tǒng)疾病染毒方式的選擇提供參考。
24只SPF級(jí)SD大鼠,雄性,(220±20)g,購(gòu)自成都達(dá)碩實(shí)驗(yàn)動(dòng)物有限公司[許可證號(hào)為SCXK(川)2020-030],飼養(yǎng)于陜西中醫(yī)藥大學(xué)中藥藥理實(shí)驗(yàn)動(dòng)物房?jī)?nèi),溫度23~25℃,相對(duì)濕度45%~55%,自由攝食與飲水,晝夜各半,適應(yīng)性飼養(yǎng)1周。實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)動(dòng)物的處置符合《實(shí)驗(yàn)動(dòng)物福利倫理審查指南》(GB/T 35892-2018)、《關(guān)于善待實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的指導(dǎo)性意見》及陜西中醫(yī)藥大學(xué)倫理委員會(huì)規(guī)定和相關(guān)管理?xiàng)l例。
白細(xì)胞介素6(interleukin-6,IL-6)和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(transforming growth factor-β,TGF-β)ELISA試劑盒,以及酸性磷酸酶(acid phosphatase,ACP)、堿性磷酸酶(alkaline phosphatase,AKP)和乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase,LDH)標(biāo)準(zhǔn)比色試劑盒均購(gòu)于武漢博士德生物科技有限公司;IL-17和TGF-β抗體均購(gòu)于武漢賽維爾生物科技有限公司;HE染液購(gòu)于南昌雨露實(shí)驗(yàn)器材有限公司;RNA提取、反轉(zhuǎn)錄及實(shí)時(shí)熒光定量PCR試劑盒均購(gòu)于均購(gòu)自TaKaRa;戊巴比妥鈉購(gòu)于天津蘭洪新能源科技有限公司。
DNP-9052恒溫箱(上海精宏試驗(yàn)設(shè)備有限公司);PW-812洗板機(jī)(深圳市匯松科技發(fā)展有限公司);SH01D高速離心機(jī)(上海知信實(shí)驗(yàn)儀器技術(shù)有限公司);XH-C漩渦混合器(江蘇大唐醫(yī)療器械有限公司);Multiskan FC酶標(biāo)儀(Thermo Fisher);TH-1000CⅡ智能大流量空氣顆粒采樣器(武漢市天虹儀表有限責(zé)任公司);Scientz-10N型真空冷凍干燥機(jī)(寧波新藝生物科技股份有限公司);TKY-TKB攤片烤片機(jī)(湖北泰康醫(yī)療設(shè)備有限公司);RM2235石蠟切片機(jī)(Leica);BX53光學(xué)顯微鏡(Olumpus);XMP102H型超聲波清洗機(jī)(昆山超聲儀器有限公司);UPHW-Ⅱ-90T超純水機(jī)(成都超純科技有限公司);Exicycler 96實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀(Bioneer)。
于陜西中醫(yī)藥大學(xué)四號(hào)教學(xué)樓樓頂,使用天虹大流量采樣器采集大氣PM2.5于玻璃纖維膜上,采樣高度為20 m。將載有PM2.5的玻璃纖維膜剪掉邊緣部分,裁剪為1 cm×1 cm大小,分裝于50 mL離心管中,加入純水至40 mL,低溫超聲震蕩60 min,將PM2.5洗脫,1 800目篩過濾,濾液真空冷凍干燥,4℃保存?zhèn)溆?。臨用前,稱取適量PM2.5溶于生理鹽水,配成50 g/L混懸液,紫外燈下照射30 min。
4.1 氣管滴注操作方法將19G號(hào)灌胃器針頭處磨平至圓滑,與1 mL醫(yī)用注射器組成進(jìn)樣器,乙醚麻醉大鼠后(麻醉深度以用有齒鑷捏夾大鼠皮膚或腳趾無收縮反應(yīng)為準(zhǔn)),迅速呈仰臥位固定于自制鼠板上,四肢和上切牙均用橡皮筋固定,直立鼠板,使大鼠頭部朝上垂直于桌面,用組織鑷將大鼠舌頭向嘴角一側(cè)拉出口腔直至感覺阻力,插入可視采耳棒,調(diào)整角度,使大鼠口腔環(huán)境呈現(xiàn)于手機(jī)或其他智能設(shè)備上,再插入進(jìn)樣器,使灌胃器針頭部插入氣管口1 cm左右,緩慢推注所需劑量PM2.5混懸液,滴注完成后立即拔出插管,保持大鼠直立,并輕輕左右晃動(dòng)5 s,使混懸液擴(kuò)散均勻,大鼠呼吸帶有濕啰音說明滴注成功,放回鼠籠內(nèi)待蘇醒。注射器量取所需PM2.5混懸液時(shí),可額外抽取0.5 mL空氣,然后手指輕堵灌胃針口,將藥液甩至空氣底部,注入空氣可使滴注液向肺組織深處擴(kuò)散。見圖1。
Figure 1.Operation process of unexposed tracheal instillation in rats.A:experimental equipment;B:a fixed rat;C:a view of the throat.圖1大鼠非暴露式氣管滴注操作過程
4.2 動(dòng)物分組及給藥24只SD大鼠隨機(jī)分為對(duì)照組(control)、鼻內(nèi)滴注組(nasal)和氣管滴注組(tracheal),每組8只。其中,nasal組大鼠無需麻醉,抓取固定大鼠后,用10~100 μL移液槍吸取200 μL/kg的PM 2.5混懸液(10 mg/kg),緩慢滴入大鼠鼻腔,使其自然吸入呼吸道進(jìn)行染毒;tracheal組大鼠經(jīng)乙醚麻醉后,按4.1所述方法滴注200 μL/kg的PM2.5混懸液(10 mg/kg)。滴注每3 d一次,共10次。
4.3 觀察一般情況觀察滴注期間各組大鼠活動(dòng)、毛色、飲食和呼吸狀態(tài),記錄大鼠體重、滴注量、所需時(shí)間(氣管滴注從開始麻醉算)、一次滴注成功率和終成功率。
4.4 血清中IL-6和TGF-β含量的測(cè)定末次染毒完成后,禁食12 h,大鼠麻醉后,腹主動(dòng)脈取血,室溫靜置30 min,3 000 r/min離心10 min,收集上清液。采用ELISA檢測(cè)IL-6和TGF-β含量,操作步驟嚴(yán)格按照試劑盒說明書進(jìn)行。用酶標(biāo)儀測(cè)定450 nm處的吸光度,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,計(jì)算實(shí)際樣品中IL-6和TGFβ水平。
4.5 支氣管肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavage fluid,BALF)中ACP、AKP和LDH活性的測(cè)定取血處死大鼠后,結(jié)扎左側(cè)支氣管,采用5 mL注射器分三次吸取10 mL預(yù)冷的PBS對(duì)大鼠右肺進(jìn)行灌洗(回收率達(dá)80%為合格),4℃、3 000 r/min離心10 min,回收上清液,按照試劑盒操作步驟檢測(cè)各樣本中ACP、AKP和LDH活性。
4.6 肺組織病理學(xué)觀察收集完BALF后,取右上肺組織置于4%多聚甲醛溶液中固定,石蠟包埋,切片,HE染色,中性樹脂封片,于光學(xué)顯微鏡下觀察病理變化。
4.7 肺組織中TGF-β和IL-17蛋白表達(dá)的檢測(cè)取肺組織蠟塊,在二甲苯溶液中脫蠟,并在梯度遞減的乙醇溶液中水化,然后用檸檬酸鹽抗原修復(fù)溶液處理切片,用0.5% Triton X-100溶液透化20 min,用3%H2O2溶液孵育,5%牛血清白蛋白封閉20 min,再與IL-17和TGF-β抗體(1∶500)37℃下溫育1 h,PBS洗滌后,將切片與羊抗兔IgG(1∶1 000)在37℃溫育20 min,經(jīng)DAB顯色、復(fù)染、脫水、透化、固定后,顯微鏡下觀察,并封片、拍照,以ImageJ軟件測(cè)定平均積分吸光度。
4.8 肺組織中IL-17和叉頭框蛋白P3(forkhead box protein P3,F(xiàn)oxp3)mRNA表達(dá)的測(cè)定取各大鼠余下肺組織,TRIzol試劑提取大鼠肺組織總RNA,紫外分光光度測(cè)定RNA濃度及鑒定純度;PrimeScript RT kit將0.5 μg總RNA反轉(zhuǎn)錄成cDNA。以cDNA為模板,用Exicycler 96實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀檢測(cè)mRNA表達(dá)。以β-actin為內(nèi)參照,用2-ΔΔCt法計(jì)算IL-17和Foxp3的mRNA相對(duì)表達(dá)量。引物序列見表1。
表1 引物序列Table 1.The primer sequences
采用SPSS 26.0軟件進(jìn)行分析。計(jì)量資料均符合正態(tài)分布,以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(mean±SD)表示。多組間均數(shù)比較采用單因素方差分析;兩兩比較,數(shù)據(jù)方差齊用LSD法,方差不齊用Tamhane T2法。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
滴注過程中,control組大鼠毛色、飲食和行動(dòng)正常,呼吸順暢平穩(wěn),無其他明顯異常狀態(tài);nasal組和tracheal組大鼠在滴注4次后毛色變暗、呼吸急促、變得暴躁,且隨著染毒次數(shù)的增多,上述癥狀逐漸加重,但飲食未見明顯異常。3組大鼠體重增長(zhǎng)情況良好,無顯著差異(P>0.05);nasal組和tracheal組大鼠滴注操作時(shí)間、一次成功率和終成功率見表2。滴注過程中,鼻內(nèi)滴注組4號(hào)死亡,解剖發(fā)現(xiàn)肺部病變,但不能確定具體死因。
表2 滴注過程中大鼠一般情況Table 2.General conditions of rats during instillation(Mean±SD)
HE染色結(jié)果顯示,control組大鼠肺組織結(jié)構(gòu)完整清晰,肺泡腔內(nèi)無滲出物,肺間質(zhì)無水腫,肺泡間隔均勻且光滑,未見明顯的病理變化和炎性細(xì)胞浸潤(rùn);與control組相比,nasal組大鼠肺組織部分肺泡結(jié)構(gòu)被破壞,伴有程度不一的萎縮及擴(kuò)張,腔內(nèi)可見少量炎癥細(xì)胞及紅細(xì)胞浸潤(rùn);tracheal組大鼠肺組織可見肺泡結(jié)構(gòu)明顯破壞,肺泡間隔明顯增厚,肺水腫、肺出血,以中性粒細(xì)胞為主的炎癥細(xì)胞在肺組織內(nèi)大量浸潤(rùn),肺部正常的組織形態(tài)結(jié)構(gòu)消失,提示tracheal組大鼠肺部損傷較nasal組更為嚴(yán)重,見圖2。
Figure 2.Histopathological examination of SD rat lungs(HE staining,×100).A:control group;B:nasal group;C:tracheal group.圖2 SD大鼠肺組織病理學(xué)檢查
與control組 比 較,nasal組 和tracheal組 大 鼠BALF中的ACP、AKP和LDH活性均顯著升高(P<0.05);兩種不同部位滴注相比,tracheal組大鼠BALF中ACP活性顯著較nasal組高(P<0.05),但AKP和LDH活性無顯著差異(P>0.05),見圖3。
與control組比較,nasal組和tracheal組大鼠血清IL-6含量顯著升高,TGF-β含量顯著下降(P<0.05);兩組不同部位滴注組相比,tracheal組大鼠血清IL-6含量顯著較nasal組高(P<0.05),但TGF-β含量無顯著差異(P>0.05),見圖4。
Figure 3.Effects of intranasal and tracheal instillation of PM2.5 suspension on the activity of ACP,AKP and LDH in BALF of rats.Mean±SD.n=8 in control and tracheal groups;n=7 in nasal group.*P<0.05 vs control group;#P<0.05 vs nasal group.圖3鼻內(nèi)滴注和氣管滴注PM2.5混懸液對(duì)大鼠BALF中ACP、AKP和LDH活性的影響
Figure 4.Effects of intranasal and tracheal instillation of PM2.5 suspension on the serum levels of IL-6 and TGF-β in rats.Mean±SD.n=8 in control and tracheal groups;n=7 in nasal group.*P<0.05 vs control group;#P<0.05 vs nasal group.圖4鼻內(nèi)滴注和氣管滴注PM2.5混懸液對(duì)大鼠血清中IL-6和TGF-β含量的影響
與control組比較,nasal組和tracheal組大鼠肺組織中IL-17蛋白表達(dá)顯著升高,TGF-β蛋白表達(dá)顯著下降(P<0.05);兩組不同部位滴注組相比,IL-17蛋白表達(dá)無顯著差異(P>0.05),tracheal組TGF-β蛋白表達(dá)較nasal組顯著下降(P<0.05),見圖5。
與control組比較,nasal組和tracheal組大鼠肺組織中IL-17 mRNA表達(dá)量和Th17/Treg比值顯著升高(P<0.05),F(xiàn)oxp3 mRNA表達(dá)量顯著下降(P<0.05);與nasal組相比,tracheal組大鼠肺組織中IL-17和Foxp3的mRNA表達(dá)分別有升高和下降的趨勢(shì),但無顯著差異(P>0.05),Th17/Treg比值顯著升高(P<0.05),見圖6。
近些年來,多位研究者相繼建立了多種氣道染毒方法,主要包括暴露式氣管滴注、非暴露式氣管滴注和鼻內(nèi)滴注。暴露式氣管滴注需要分離頸部皮肉,利用醫(yī)用注射器直接將藥液注射入氣管,成功率高,劑量準(zhǔn)確,但易造成感染,有少量死亡,且適用于單次染毒;非暴露式氣管滴注需要將大鼠麻醉,通過氣管插管將滴注液輸送到肺部,無需手術(shù)切口暴露氣管,染毒劑量準(zhǔn)確且對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物傷害較小,可進(jìn)行多次染毒,但一般需要光纖、喉鏡、頭戴式放大鏡、內(nèi)窺鏡等特殊設(shè)備,部分儀器價(jià)格過高,且對(duì)操作者的技能要求較高;鼻內(nèi)滴注通過采用移液槍或小量程注射器將藥液液滴緩慢滴至鼻腔,利用重力和大鼠呼吸吸入,模擬了正常呼吸途徑染毒,但操作過程耗力,大鼠噴出引起劑量不準(zhǔn)確,且多次染毒后,易造成鼻腔腫脹,大鼠變得脾氣暴躁,操作難度加大。因此,本實(shí)驗(yàn)選擇能長(zhǎng)期多次滴注的非暴露式氣管滴注和鼻內(nèi)滴注,開展兩種滴注方式構(gòu)建的肺損傷模型的比較研究,對(duì)研究PM2.5損傷呼吸道疾病提供參考。在本次實(shí)驗(yàn)中,隨著滴注時(shí)間的延長(zhǎng),nasal組大鼠鼻腔開始腫大,性情狂躁,且因體型增大,在只用手抓取固定過程中,大鼠掙扎,難以控制。而tracheal組,待操作人熟練了后,麻醉后從固定到插管滴注只需要十幾秒,大多數(shù)時(shí)間花費(fèi)在大鼠的麻醉上,但麻醉過程乙醚濃度過高,易引起大鼠呼吸衰竭和循環(huán)障礙,造成死亡,需把握好乙醚濃度和麻醉時(shí)間。
多項(xiàng)研究表明,PM2.5隨呼吸進(jìn)入呼吸道和肺部以后,可在呼吸道沉淀積累,通過氧化應(yīng)激或炎癥損傷等機(jī)制破壞肺泡腔血管基底膜和毛細(xì)血管膜結(jié)構(gòu),改變肺泡細(xì)胞膜形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能,增加細(xì)胞膜通透性,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)各種蛋白酶等內(nèi)容物漏出[7]。通過檢測(cè)BALF中的ACP、AKP和LDH水平,可反映肺組織細(xì)胞膜受損程度[8]。本次實(shí)驗(yàn)中,相較于control組,nasal組和tracheal組BALF中ACP、AKP和LDH活性顯著增加,這表明兩種滴注組大鼠肺部結(jié)構(gòu)破壞,肺組織細(xì)胞膜通透性增加。肺組織病理學(xué)觀察也顯示肺泡結(jié)構(gòu)被破壞,肺間質(zhì)明顯增厚,大量炎癥細(xì)胞浸潤(rùn),亦表明該染毒組大鼠肺部出現(xiàn)了嚴(yán)重的病理損傷。但兩種染毒組大鼠肺損傷程度存在一定差異,tracheal組大鼠肺損傷程度較nasal組更為明顯,推測(cè)是鼻內(nèi)滴注過程中,鼻腔內(nèi)黏膜組織吸附了一部分的顆粒物,使實(shí)際進(jìn)入到肺組織的顆粒物減少,這也致使了該組大鼠鼻腔腫脹,但此方法模擬了正常呼吸道發(fā)病過程,而氣管滴注是直接將PM2.5混懸液送至氣道,到達(dá)肺組織,沒有經(jīng)過從鼻、呼吸道到肺的過程,損傷更為顯著。
Figure 5.Effects of intranasal and tracheal instillation of PM2.5 suspension on the protein expression of IL-17 and TGF-β in rat lung tissues(immunohistochemical staining,scale bar=20 μm).Mean±SD.n=6.*P<0.05 vs control group;#P<0.05 vs nasal group.圖5鼻內(nèi)滴注和氣管滴注PM2.5混懸液對(duì)大鼠肺組織IL-17和TGF-β蛋白表達(dá)的影響
Figure 6.Effects of intranasal and tracheal instillation of PM2.5 suspension on the mRNA expression of IL-17 and Foxp3 in rat lung tissues.A:the mRNA expression of IL-17;B:the mRNA expression of Foxp3;C:the ratio of IL-17(representing Th17 cells)/Foxp3(representing Treg cells).Mean±SD.n=8 in control and tracheal groups;n=7 in nasal group.*P<0.05 vs control group;#P<0.05 vs nasal group.圖6鼻內(nèi)滴注和氣管滴注PM2.5混懸液對(duì)大鼠肺組織IL-17和Foxp3 mRNA表達(dá)的影響
Th17和Treg均由CD4+T淋巴細(xì)胞分化而來,在正常條件下,Th17和Treg的動(dòng)態(tài)平衡調(diào)節(jié)體內(nèi)自身免疫,而在肺損傷等呼吸系統(tǒng)炎癥性疾病的發(fā)生發(fā)展過程中均發(fā)現(xiàn)伴隨Th17/Treg平衡的失調(diào)[9]。Th17細(xì)胞可以釋放IL-17,促進(jìn)T細(xì)胞增殖和IL-6等炎癥介質(zhì)的表達(dá),增強(qiáng)Th2應(yīng)答;而Treg細(xì)胞主要通過分泌抗炎細(xì)胞因子發(fā)揮免疫抑制作用,并可與Th17細(xì)胞相互拮抗。Foxp3是識(shí)別Treg細(xì)胞的常規(guī)標(biāo)志物,是Treg細(xì)胞分化和表達(dá)功能的關(guān)鍵因子,可通過分泌TGF-β等抑炎因子,減輕炎癥浸潤(rùn),促進(jìn)病毒清除,避免過度非特異免疫應(yīng)答,抑制Th2應(yīng)答,在抵抗胞外病原體入侵和抑制自身免疫中起著保護(hù)作用[10-12]。本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相較于control組,nasal組和tracheal組大鼠血清中IL-6和TGF-β含量顯著升高;肺組織中IL-17的蛋白和mRNA表達(dá)及Th17/Treg比值顯著升高,TGF-β蛋白和Foxp3 mRNA表達(dá)量顯著下降,提示兩種方式滴注PM2.5混懸液均能引起肺部炎癥反應(yīng),加強(qiáng)Th2應(yīng)答;但兩種滴注方式相比,tracheal組大鼠血清中IL-6表達(dá)量和肺組織中Th17/Treg比值較nasal組顯著升高,TGF-β蛋白表達(dá)降低,其余指標(biāo)無顯著差異。
綜上所述,鼻內(nèi)滴注和氣管滴注PM2.5混懸液均能增加肺泡細(xì)胞膜和肺泡上皮-毛細(xì)血管膜通透性,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)各種蛋白酶等內(nèi)容物漏出,對(duì)肺泡細(xì)胞產(chǎn)生毒作用;此外,還可增加促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生,使Th17/Treg比值升高,加強(qiáng)Th2應(yīng)答,導(dǎo)致肺部炎癥損傷,進(jìn)一步促進(jìn)肺部損傷或肺部乃至多器官的衰竭。兩種滴注方式相比,本研究所采用的利用可視挖耳勺代替內(nèi)窺鏡的氣管內(nèi)滴注法具有劑量準(zhǔn)確、可視等優(yōu)點(diǎn),所構(gòu)建的模型大鼠肺損傷更加明顯,但忽略了ALI正常發(fā)病過程;鼻內(nèi)滴注法具有無需麻醉、易上手、無需借助其他工具、模擬了ALI正常發(fā)展過程等優(yōu)點(diǎn),但對(duì)操作者較為耗費(fèi)精力,且劑量不準(zhǔn)確。兩種滴注方式具體在劑量和時(shí)間上對(duì)大鼠肺組織損傷影響的差異,還需進(jìn)一步研究。