大氣污染物二氧化硫對大鼠哮喘病模型氣道平滑肌生物力學行為影響的研究.pdf

1、哮喘(Asthma)作為一種慢性呼吸道疾病，正日益成為嚴重威脅人類健康的重大問題。令人遺憾的是，科學界對哮喘病的病因和發(fā)展過程至今還沒有完全認識清楚，其病理機制也一直是醫(yī)學上的重要難題。隨著環(huán)境的不斷惡化，大氣中的污染物，包括二氧化硫(SO2)與哮喘病的關系也日益受到關注。SO2是大氣中最常見的污染物之一，其對呼吸健康的危害早在上個世紀就引起了人們的重視。通過流行病學、免疫學等方面的大量研究，發(fā)現(xiàn)SO2與哮喘病中包括免疫、炎癥、氧化應激

2、和氧化損傷等在內的多種病理機制有關。而有關SO2對哮喘病中氣道的生物力學特性的影響至今尚未見報道。與此對照的是，越來越多的研究表明，哮喘病人的氣道組織，特別是氣道平滑肌在病變過程中的結構與功能變化會導致其生物力學行為的改變，使其在受到外來刺激時發(fā)生過度收縮反應(AHR)，從而引起氣道過度狹窄和隨之而來的呼吸阻礙，這是導致哮喘病成為高度危險疾病的共同的最終途徑。由此，氣道平滑肌收縮功能變異作為這一現(xiàn)象的終極原因成為目前研究的重點。因此，研

3、究SO2對于氣道平滑肌生物力學特性的影響及其機理將有助于全面的認識和理解大氣污染與哮喘病發(fā)生、發(fā)展的關系，為治理環(huán)境和有效防治哮喘病提供重要的參考依據(jù)。鑒于此，本文以四周齡Sprague Dawley(SD)大鼠為模型動物，以卵清蛋白(OVA)為致敏劑，建立了哮喘動物模型。在此基礎上，以濃度為2 ppm(5.6 mg/m3)的SO2對正常和哮喘模型動物進行長時間暴露刺激，并分別在個體、組織和細胞水平，研究了SO2對氣道平滑肌的影響，特別

4、是SO2對氣道平滑肌細胞的生物力學行為的影響及其細胞骨架動力學機理。主要研究內容和結果如下：
　　 1)根據(jù)模擬SO2單因素大氣污染環(huán)境的要求，設計并制作了內部空間SO2濃度可控制的動物實驗裝置。該裝置由氣路管道系統(tǒng)、傳感檢測系統(tǒng)和智能控制等部分構成，不僅能夠實現(xiàn)在局部封閉空間中模擬低濃度SO2污染的大氣環(huán)境，并具有操作性強和可靠性高的優(yōu)點。經(jīng)測試和較長時間的實際使用，結果表明該裝置能夠較好地模擬SO2單因素大氣污染環(huán)境，SO2

5、暴露刺激后的動物出現(xiàn)明顯的生理病理變化，證明該裝置為研究大鼠長時間暴露于低濃度SO2環(huán)境后其生理病理變化過程和機制提供了一種可靠的技術平臺。
　　 2)研究了SO2刺激對哮喘模型SD大鼠肺功能與氣道組織結構的影響。首先以卵清蛋白(OVA)為致敏劑，刺激四周齡雄性SD大鼠，誘導其出現(xiàn)氣道高反應性(AHR)，并作為后續(xù)研究的哮喘動物模型。在此基礎上，利用上述動物實驗裝置，對正常和哮喘模型SD大鼠進行長時間、低濃度的SO2暴露刺激，并

6、觀察動物受SO2刺激后的肺功能(Penh)和氣道組織病理學變化。實驗結果表明，與正常SD大鼠相比，哮喘模型SD大鼠在經(jīng)受SO2刺激后其Penh值顯著提高(P<0.01)，說明SO2能顯著地增強哮喘模型SD大鼠的氣道高反應性，對正常SD大鼠的氣道反應性則沒有明顯的作用。同時，肺組織病理切片蘇木精-伊紅(HE)染色觀察和炎癥因子檢測結果均表明，SO2能顯著的惡化哮喘模型SD大鼠氣道組織的炎癥反應。
　　 3)考察了SO2刺激對SD大

7、鼠氣道平滑肌細胞收縮性的影響。首先采用酶消化法與組織塊貼壁法相結合，獲取SD大鼠原代氣道平滑肌細胞，經(jīng)細胞免疫化學方法鑒定并證明所獲得原代氣道平滑肌細胞的純度較高，原代細胞經(jīng)傳代至2-5代時用于實驗。結果證明，該方法具有高效、快捷、簡單易操作、耗費低、細胞獲取量高和純度高等優(yōu)點，為后續(xù)實驗提供了充足的細胞來源。在此基礎上，運用磁微粒扭轉細胞測量系統(tǒng)(OMTC)測量SD大鼠原代氣道平滑肌細胞的生物力學特性。氣道平滑肌細胞分別取自正常SD大

8、鼠(正常對照組)，經(jīng)受SO2刺激的正常SD大鼠(SO2組)，哮喘模型SD大鼠(OVA組)，經(jīng)受SO2刺激的哮喘模型SD大鼠(OVA+SO2組)。細胞生物力學特性包括：細胞硬度、細胞硬度與頻率的關系、細胞硬度對平滑肌收縮激動劑(氯化鉀或組胺)的響應。實驗結果表明，與正常對照組比較，其他三組SD大鼠(OVA組，OVA+SO2組，SO2組)的氣道平滑肌細胞的硬度(G0)都顯著增高(P<0.001，P<0.001和P<0.01)，細胞硬度與頻率

9、之間呈較好的冪率關系且冪指數(shù)相差不大。更重要的是，在各實驗組中只有OVA+SO2組SD大鼠的氣道平滑肌細胞對氯化鉀(KCl)或組胺(histamine)作用的響應顯著提高。
　　 4)研究了SO2衍生物在體外對正常SD大鼠氣道平滑肌細胞生物力學特性的影響。由于大氣中的SO2在體內最終都是以其衍生物的形式作用于體內組織細胞，鑒于此，本文在體內實驗的基礎上，進一步研究了不同濃度下，SO2衍生物(亞硫酸鈉和亞硫酸氫鈉的混合物，二者摩爾

10、比為3:1)對體外培養(yǎng)的正常SD大鼠氣道平滑肌細胞生物力學特性的效應。實驗表明，在10-4～10-1mmol/L的濃度范圍內，SD大鼠氣道平滑肌細胞的增殖能力、遷移能力、細胞收縮性都隨SO2衍生物濃度的增高而增強，同時細胞骨架蛋白F-actin的表達量也隨之增加，并且這四者之間存在一定的相關性。這些實驗結果提示，SO2有可能通過增強氣道平滑肌細胞的增殖能力、遷移能力和收縮性，引發(fā)氣道組織的重構和氣道高反應性，進而加劇哮喘癥狀的惡化。

11、r>　　 綜上所述，本課題針對大氣污染物SO2對正?；蛳Ｐ蚐D大鼠氣道平滑肌生物力學行為的影響，分別在個體、組織和細胞水平上進行了研究。結果表明，SO2刺激對于正常SD大鼠作用不大，但對哮喘模型SD大鼠氣道平滑肌卻有顯著的影響，主要表現(xiàn)為哮喘模型SD大鼠在受到SO2刺激時出現(xiàn)氣道高反應性加劇，氣道平滑肌組織增生，氣道平滑肌細胞收縮性增強等癥狀。此外，體外培養(yǎng)的SD大鼠氣道平滑肌細胞在受到SO2衍生物直接刺激時，出現(xiàn)平滑肌細胞增殖、