臭氧和大气细颗粒物对大鼠心肺系统的影响及其机制研究

【摘要】大气环境中包含多种环境污染物,其中颗粒物和臭氧是较为常见的污染物。城市中颗粒物在交通高峰期浓度达到最高,臭氧是氮氧化物(NOx)和挥发性有机物(VOCs)的二次污染物,与光照有关,一般在下午的时候达到最大值。在一天当中,两者的联合暴露会发生,而暴露于多种不同的环境污染物对健康的损害效应可能比暴露于单一污染物的毒性作用更强,所以无论是对流行病学研究,还是对毒理学的生物机制研究来说,考虑两者的联合暴露对健康的影响有重要意义。根据以往的研究结果,既然颗粒物引起的心血管效应机制涉及肺、心脏和血管系统等多个部分,因此我们并行检测肺、心脏和动脉的改变以评价臭氧和PM2.5暴露对肺、心血管系统的毒性效应及其作用机制。直到目前为止,对于评价人类暴露于多种环境污染物的健康风险仍然没有统一的标准。我们的研究中采用亚急性的暴露(2次/周,共3周)来评价由不同剂量的PM2.5单独暴露或者臭氧与不同剂量PM25联合暴露对Wistar大鼠肺、心血管系统的损伤效应。我们采用每次4小时的0.8ppm臭氧暴露和三个剂量的PM2.5(0.2、0.8和3.2mg/只)暴露。具体的暴露方法是,48只7周龄Wistar大鼠随机分为8组,每组6只。PM2.5低、中、高剂量组每只动物分别经气管滴注0.2、0.8和3.2mg的细颗粒物。臭氧和PM25联合暴露低、中、高剂量组为大鼠先暴露于0.8ppm的臭氧4小时,然后再气管滴注0.2、0.8和3.2mg的细颗粒物。对照组为滴注相同体积(0.20m1)的生理盐水,臭氧单独暴露组为先0.8ppm臭氧暴露4小时,然后滴注相同体积的生理盐水。暴露前和暴露期间每周称体重一次。暴露3次(暴露中期)24小时后,麻醉动物,进行心电图(ECG)记录,分析低频(LF)、高频(HF)、低频/高频(LF/HF)、总变异(TV)等反应心率变异性(HRV)的参数。末次暴露24小时后,麻醉动物,颈动脉插管测定血压(BP),同时进行心电图(ECG)记录,分析HRV参数。然后腹主动脉取血处死动物,分别收集全血和支气管肺泡灌洗液(BALF)。检测BALF中肺炎症损伤指标：肿瘤坏死因子(TNF-α)、白细胞介素-6(IL-6)和细胞总数及巨噬细胞、中性粒细胞和淋巴细胞的分类计数；肺上皮损伤指标：乳酸脱氢酶(LDH)的活性和碱性磷酸酶(AKP)活性；肺渗透性指标：总蛋白(TP)和白蛋白(TLB)；肺组织氧化应激指标：超氧化物歧化酶(SOD)活力、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)活力和丙二醛(MDA)含量；肺血管内皮结构与功能指标：实时定量PCR法检测诱导性一氧化氮合酶(iNOS)、内皮型一氧化氮合酶(eNOS)、和细胞间粘附分子(ICAM-1)mRNA基因表达及比色法测定BALF中一氧化氮(NO)。心脏血管内皮结构与功能指标：实时定量PCR法测定iNOS、eNOS、基质金属蛋白酶-2(MMP-2)和ICAM-1mRNA基因表达；心脏组织内氧化应激指标：SOD活力、GSH-PX活力和MDA含量。检测胸主动脉中MMP-2和ICAM-1mRNA基因表达。测定血清中系统炎症指标：ELISA法检测TNF-α、IL-6和C－反应蛋白(CRP),比色测定LDH和肌酸激酶(CK)；系统氧化应激指标：血清MDA；内皮结构与功能指标：ELISA法检测血浆内皮素-1(ET-1)、血清血管内皮生长因子(VEGF)、血清NO含量。取主支气管、未灌洗的左肺、右心室心室肌和胸主动脉进行HE染色组织学检查,其中肺组织和心脏组织也通过透射电镜(TEM)观察超微结构。分析肺与心血管系统炎症反应、炎症反应与氧化应激、炎症反应与心率变异性和炎症反应与血管内皮结构与功能之间的相关性。另外,我们也分析了PM2.5单独暴露和臭氧与PM2.5联合暴露的肺、心血管毒性的暴露－反应关系及两种暴露方式的暴露-反应相关性是否一致,进而分析在肺及心血管系统内部及两者之间的分子病理机制的关联性、臭氧暴露对颗粒物毒性效应的影响及毒性作用通路的变化。该研究的结果表明,在我们的研究中,臭氧和PM2.5暴露延缓了大鼠体重的增长。PM25单独暴露组的BALF中细胞总数明显增加。PM25的滴注引起肺泡灌洗液中TNF-α、IL-6、LDH和总蛋白含量的明显增加(P<0.05)。臭氧单独暴露没有引起这些肺损伤指标的显著变化。但是,臭氧可以提高由PM2.5引起的大鼠肺组织的炎症和病理改变。与对照组比较,不论是颗粒物的单独暴露还是与臭氧的联合暴露,肺组织中SOD和GSH-Px的活力均降低。而肺组织中反应内皮功能的iNOS、eNOS和ICAM-1mRNA基因表达则有不同的变化,其中,在高剂量的PM2.5单独暴露组和3个联合暴露组中iNOS基因表达明显上调,而eNOS在任何一种暴露方式的作用下均没有明显的改变。虽然PM2.5的单独暴露没有引起ICAM-1基因表达的明显改变,但是在臭氧和PM2.5的联合作用下,肺组织中的ICAM-1表达明显上调。主支气管的病理学检查发现,除对照组外,其余暴露组均表现出不同程度的炎症细胞增生、聚集及粘膜上皮细胞的脱落等病理变化。肺组织病理学结果表明,所有PM2.5暴露组均呈现不同程度的炎症损伤,并随暴露剂量的增加有加重的趋势。肺的超微结构观察发现PM2.5对肺细胞的损伤主要体现在对肺泡II型细胞线粒体的病理影响,即造成线粒体的肿胀、空泡及增多等病变。在对心血管系统的损伤上,与对照组比较,暴露3周后,高剂量PM2.5(3.2mg/只)组的血压明显升高(P<0.05),心率则无明显改变。PM2.5单独暴露组可以引起血清CRP、MDA、CK、ET-1含量和血压的明显增加及HRV参数的显著降低。大鼠的臭氧单独暴露没有引起这些指标的明显改变。但是,臭氧和PM2.5的联合暴露引起CRP,IL-6,CK,LDH和MDA剂量-效应趋势的增加及SOD和HRV以剂量－效应趋势的降低。同时,在PM2.5单独暴露及联合暴露组中,ECG均表现出异常的放电类型。心脏组织病理学检查发现,PM2.5暴露组中观察到颗粒物的沉积,只有在高剂量的联合暴露组中观察到心肌炎症。TEM的结果也表明臭氧单独暴露、高剂量PM25暴露以及两者的联合作用可引起超微结构的改变,主要是心肌结构紊乱、肌丝的溶解断裂、线粒体肿胀和空泡化。另外,PM25的单独及与臭氧的联合暴露均可以上调动脉中MMP-2和ICAM-1mRNA基因表达。说明调节动脉血管结构的转录机制和内皮功能受到影响。但是在所有暴露组中,腹主动脉的HE染色结果没有发现动脉的明显病理变化。肺及心血管系统毒性作用机制的关联性分析表明,肺的炎症效应、心血管系统的炎症／氧化应激指标与HRV参数之间存在显著的相关性。血浆ET-1的含量与大鼠心脏组织中的MMP-2的表达没有显著的相关性,但与动脉中MMP-2的表达显著相关。PM2.5的单独暴露与臭氧和PM25的联合暴露两组暴露方式的暴露-反应相关性研究表明,对于检测颗粒物的肺毒性效应,LDH、总蛋白、白蛋白、iNOSmRNA、SOD、GSH-PX和MDA等指标可能更为敏感,而臭氧对AKP、IL-6、ICAM-1mRNA等指标的影响较大。两种暴露方式对心血管系统影响的结果提示,CRP和ET-1等指标对PM2.5暴露较为敏感,而TNF-α、IL-6和TV等指标可能对于臭氧暴露更为敏感一些,VEGF则对PM2.5或臭氧的敏感性都较差。总之,这一暴露剂量(0.8ppm)和暴露时间(2次/周,共3周)的臭氧对肺及心血管系统的损伤较小。高剂量的PM2.5能引起大鼠肺损伤,包括细胞毒性、白细胞浸润、前炎症细胞因子、氧化应激以及组织病理变化。大鼠肺的损伤主要由PM2.5所引起,但同时这一效应可被臭氧的联合暴露所提高。同样剂量的PM2.5单独暴露也可以引起心血管系统炎症和氧化应激损伤、内皮功能和自主神经系统(ANS)的紊乱。臭氧和PM2.5可引起心脏组织和全身系统明显的损伤,并且这种影响存在剂量-效应趋势。所以在臭氧和PM25联合作用于生物体时,自主神经系统和炎症/氧化应激反应均参与到毒性的产生过程中。事实上,所有这些通路是相关联的,当评价臭氧和细颗粒物的毒性时,很难区分每一个通路的独立参与。
【作者】王广鹤；
【导师】宋伟民；
【作者基本信息】复旦大学，劳动卫生与环境卫生学，2013，博士
【关键词】臭氧；大气细颗粒物；氧化应激；炎症反应；心率变异性；

【参考文献】
[1]陈普然.基于嵌入式MPU核的1553B总线接口控制器的设计[D].南京航空航天大学,通信与信息系统,2003,硕士.
[2]史兴腾.全国社会保障基金投资问题研究[D].山东财经大学,社会保障,2013,硕士.
[3]刘红.新媒体支撑我国政府诚信建设的有效路径研究[D].郑州大学,行政管理,2013,硕士.
[4]孟庆芸.N-乙酰半胱氨酸对糖尿病大鼠心肌纤维化的作用[D].辽宁医学院,药理学,2012,硕士.
[5]韩振宇,李树荣.基于拟线性化和Haar函数的最优控制问题的直接求解方法[J].控制与决策,2012,09:1370-1375.
[6]朱广华.马斯洛高峰体验思想的美学价值研究[D].广西师范大学,文艺学,2013,硕士.
[7]皮可有.不同利手个体完成情绪姿态判断任务的ERP研究[D].信阳师范学院,发展与教育心理学,2014,硕士.
[8]王宇,张燕飞.卷烟生产过程关键环节(要素)管控体系的构建和实践[J].安徽农业科学,2014,34:12302-12303+12306.
[9]贾哲峰.再生水灌溉对高尔夫果岭及淋溶水影响的研究[D].北京林业大学,草业科学,2013,硕士.
[10]王靖懿.冷战后美国对外军事援助的变化及原因探析[D].南京大学,国际关系,2013,硕士.
[11]杜文正.长江三峡森林土壤大孔隙特征及其优先流效应研究[D].华中师范大学,自然地理学,2014,硕士.
[12]李敏.全身γ-刀治疗早期非小细胞肺癌的预后分析[D].大连医科大学,肿瘤学,2012,硕士.
[13]杨凡.海难救助人财产损害赔偿责任研究[D].大连海事大学,法学,2013,硕士.
[14]翟德旭.基于射频卡技术的智能门禁系统[D].黑龙江大学,电子与通信工程,2012,硕士.
[15]陈淑珍.Web文本挖掘中的特征表示与特征提取技术[J].三明高等专科学校学报,2004,02:53-57+87.
[16]刘一武,张洪华,吴宏鑫.可控性差的空间密集模态结构的振幅最优控制[J].自动化学报,2002,02:216-221.
[17]林隽.新农村背景下浙江练市镇村落风貌建设研究[D].浙江大学,建筑与土木工程（专业学位）,2012,硕士.
[18]杨婷.石渠县基础教育援助公益服务设计研究[D].江南大学,设计艺术学,2012,硕士.
[19]王兴奎.基于产业结构视角的住房相对价格研究[D].西安建筑科技大学,工程经济与管理,2013,硕士.
[20]王桂清.完善农村社会救助制度研究[D].上海工程技术大学,社会保障,2010,硕士.
[21]张佳斐.双繁殖时滞率依赖捕食—被捕食系统的弱共振双Hopf分岔[D].郑州大学,应用数学,2013,硕士.
[22]赵黎.房产项目景观工程品质管理过程与应用研究[D].天津大学,项目管理,2013,硕士.
[23]郎哲.TD-LTE-A系统中继节点选择算法研究[D].哈尔滨工业大学,信息与通信工程,2014,硕士.
[24]马红兵.双馈电机运行状态监测及电流传感器容错控制[D].哈尔滨工业大学,电气工程,2013,硕士.
[25]俞炯.汇丰基金公司CRM管理系统设计与实现[D].大连理工大学,软件工程（专业学位）,2013,硕士.
[26]刘太生.紫杉醇对Tca8113、Acc2的作用及L-BSO对其作用影响的研究[D].青岛大学,口腔颌面外科,2004,硕士.
[27]唐武魁.试论现代语文名师成名原因与造就策略[D].湖南师范大学,教育,2004,硕士.
[28]常丽娜.甲醇合成与精馏系统模拟研究[D].西安科技大学,化学工艺,2014,硕士.
[29]何德峰,周洲,郭海锋.网络化控制系统鲁棒动态矩阵控制[J].浙江工业大学学报,2013,01:91-95.
[30]徐一帆.人民币汇率的变动对我国贸易收支的影响[D].东北师范大学,金融学,2012,硕士.
[31]刘运生.阳光体育背景下济南市小学生体育兴趣现状调查与对策研究[D].山东大学,体育教学（专业学位）,2013,硕士.
[32]卓子颖.武陵源区法治工作站依法治理社会的实践创新研究[D].湖南师范大学,中共党史,2014,硕士.
[33]郑金松.非晶硅太阳能电池自动装箱装置的设计与研究[D].兰州理工大学,机械制造及其自动化,2013,硕士.
[34]杨茂勇.企业社会责任信息对投资规模偏差的影响研究[D].湖南大学,工商管理,2013,硕士.
[35]安圣培,梁向豪,彭更新,胡天跃.低信噪比地震数据折射初至的判定与识别[J].石油地球物理勘探,2015,03:451-459+468+3.
[36]陈文华.新时期草原题材油画中的妇女形象[D].内蒙古大学,美术学,2013,硕士.
[37]周裕干,李钟平,赵仁义.改进195型柴油机涡流燃烧室的试验研究[J].农业机械学报.1992(01)
[38]胡娜.基于加工特征的数控铣削刀具选配系统研究[D].哈尔滨理工大学,机械电子工程,2012,硕士.
[39]张萍.家具的色彩及色彩设计的研究[D].中南林学院,木材科学与技术,2004,硕士.
[40]刘琴.加气混凝土砌块填充墙RC框架结构抗震性能研究[D].西南交通大学,结构工程,2013,硕士.
[41]王冬青.软脂酸诱导血管内皮细胞Toll样受体4表达[D].山西医科大学,老年医学,2013,硕士.
[42]马倩.白云鄂博矿区稀有金属矿产资源的可持续利用研究[D].内蒙古科技大学,区域经济学,2014,硕士.
[43]周丽霞.铝合金在汽车冷却液中的腐蚀机理与防护技术研究[D].上海电力学院,应用化学,2013,硕士.
[44]张淑锵.浙大校史:源于何处?[J].浙江大学学报(人文社会科学版),2014,06:84.
[45]邹际祥.基于kd-tree加速的点云数据配准技术研究[D].安徽大学,计算机技术,2013,硕士.
[46]吉旭姣.三维超声监测中晚孕期胎儿小脑延髓池的临床价值[D].山西医科大学,妇产科学,2013,硕士.
[47]李鑫.大跨度斜拉桥施工过程中几何非线性行为分析[D].西南交通大学,桥梁与隧道工程,2013,硕士.
[48]殷鹏.基于群体工程的项目沟通管理研究[D].山东建筑大学,管理科学与工程,2013,硕士.
[49]王君珺.乘坐式温室用电动拖拉机的外观与人机研究[D].南京农业大学,机械工程,2013,硕士.
[50]杨颖涛,王跃钢,邓卫强,徐洪涛.基于共轭先验分布的贝叶斯网络分类模型[J].控制与决策,2012,09:1393-1396+1401.