大氣細顆粒物心血管毒性的機制研究.pdf

1、大氣污染是危害人類健康的主要環(huán)境因素之一,其中大氣顆粒物因其粒徑大小不同,含有多種有害化學組分,對人體健康有復雜的影響。大氣顆粒物中空氣動力學直徑≤2.5μm的細顆粒物,由于其粒徑小、表面積大,肺沉積率高,易于穿過內皮到達間質,對人體具有更大的危害性。其所含的炭核、氮、硫、有機物(多環(huán)芳烴)、生物化合物(內毒素,細胞片段)和過渡金屬(鐵,鎳,鋅,釩)等多種有害的化學成分對人體產生的負面影響,也逐漸成為研究者關注的熱點。細顆粒物進入呼吸道

2、,不僅可引起肺損傷,還可引起肺外其它器官如心血管系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)及DNA的損傷。
　　 細顆粒物與心血管系統(tǒng)疾病的關聯(lián)性已在流行病學的研究中得到了一定的論證,但在毒理學的研究中尚未得到相關的系統(tǒng)論證,細顆粒物對心血管系統(tǒng)影響的作用機制也尚未闡明。本次研究通過動物實驗和體外細胞實驗從自主神經功能、炎癥反應、纖溶/凝血、內皮功能和心肌缺血及細胞凋亡等方面對細顆粒物致心血管系統(tǒng)的損傷進行了較系統(tǒng)的毒理學研究,探索其可能作用機制,并通過他

3、汀類藥物的干預驗證氧化損傷、炎癥反應、內皮功能損傷和細胞凋亡等通路在細顆粒物致心血管系統(tǒng)損傷中的作用,為探尋其作用機制提供科學依據(jù)。
　　 本研究在上海市市區(qū)采集大氣細顆粒物,對不同生理病理狀態(tài)大鼠(高血壓大鼠(SHR)作為疾病模型組,Wistar大鼠(WKY)作為健康模型組)進行氣管滴注染毒,對照組氣管滴注生理鹽水,試驗組滴注劑量分別為1.6mg/kgb.w、8.0mg/kgb.w和40.0mg/kgb.w的細顆粒物懸液,每天

4、染毒1次,連續(xù)染毒3天。觀察暴露于細顆粒物后大鼠自主神經功能的改變,包括血壓、心率和心電圖,以及對大鼠血液及心肌組織中反應炎癥、纖溶/凝血、內皮功能及心肌細胞損傷或凋亡等因子的檢測,結果發(fā)現(xiàn),細顆粒物染毒組大鼠血壓和心率明顯升高,心電圖ST-段抬高,T波低平。大鼠血液中高敏C-反應蛋白(hs-CRP)、D-二聚體、內皮素-1(ET-1)在染毒組明顯高于對照組,并隨染毒劑量增加而增加。血液中心肌酶學指標乳酸脫氫酶(LDH)和肌酸激酶同工酶

5、(CK-MB)也隨染毒劑量增加而增加,而血管舒張因子一氧化氮(NO)卻明顯減少。心肌組織內各炎癥相關基因IL-1β、IL-6、TNF-α和MIP-2,內皮功能相關基因ET-1,內皮細胞粘附分子ICAM-1及介導細胞凋亡的促凋亡基因bax的mRNA表達均呈現(xiàn)升高趨勢,而抗凋亡基因bcl-2的mRNA表達呈下降趨勢。同時,利用免疫組織化學方法對暴露于大氣細顆粒物后,心肌組織中bax和bcl-2的蛋白表達進行檢測。結果發(fā)現(xiàn),與對照組相比,染毒

6、組的bax蛋白表達明顯增加,而bcl-2蛋白表達明顯降低,表明心肌組織中抗凋亡基因和促凋亡基因的調節(jié)出現(xiàn)紊亂,提示心肌細胞凋亡在細顆粒物所致心血管系統(tǒng)損傷中有著非常重要的作用。同樣的方法對細顆粒物暴露的大鼠心肌組織中轉化生長因子β1(TGF-β1)蛋白的表達強度進行了檢測,發(fā)現(xiàn)暴露于細顆粒物后,心肌組織中TGF-β1蛋白的表達明顯高于對照組。這提示大鼠心肌組織中除內皮屏障功能受到破壞及血管通透性增加外,細胞外基質合成和分泌增加及降解減少

7、、心血管纖維化病變也可能是細顆粒物致心血管系統(tǒng)損傷的作用機制。實驗研究也發(fā)現(xiàn),大氣細顆粒物染毒劑量相同時,SHR大鼠血液及心肌組織中介導損傷的炎性細胞因子、內皮功能因子、細胞凋亡等因子的表達均明顯高于WKY大鼠,表明大氣細顆粒物對SHR大鼠心血管系統(tǒng)的毒性作用高于WKY大鼠,這一基于動物模型的實驗結果與人群流行病學的研究具有一致性,后者的結論為患有心肺疾病的人群暴露于高濃度細顆粒物后,因心血管疾病發(fā)作而增加的死亡率高于健康人群,屬于細顆

8、粒物暴露損傷的易感人群。
　　 為了更進一步了解大氣細顆粒物對心血管系統(tǒng)的作用機制并探索細顆粒物不同化學成分在心血管系統(tǒng)損傷中的作用,本研究比較了細顆粒物不同成分的毒性大小,分別測定SO42-、NO3-和Cl-三種陰離子和五種金屬陽離子對人臍靜脈血管內皮細胞(EC-304)的毒性作用,結果發(fā)現(xiàn)在染毒濃度分別為0.01mmol/L、0.05mmol/L、0.1mmol/L、0.5mmol/L、1.0mmol/L、5.0mmol/L

9、和10.0mmol/L的離子濃度時,陰離子中NO3-離子對細胞活性有抑制作用;五種金屬陽離子對細胞活性均有抑制作用,其作用大小依次為Ni2+＞Cu2+＞Zn2+＞We3+＞Mg2+。本次研究還提取了大氣細顆粒物有機物、水溶成分和非水溶成分,每種成分分別按濃度100μg/ml、200μg/ml和400μg/ml,設為低、中、高三個濃度組對血管內皮細胞進行24h染毒,觀察細顆粒物不同成分的毒性作用,進一步了解氧化應激、炎癥反應、內皮功能紊亂

10、和細胞凋亡在心血管系統(tǒng)損傷中的作用。結果發(fā)現(xiàn)細顆粒物有機提取物、水溶成分和非水溶成分使細胞存活率顯著降低。細胞內活性氧族(ROS)、丙二醛(MDA)和上清液LDH/總LDH的比值均隨著染毒濃度的增加而增加,而超氧化物歧化酶(SOD)及血管舒張因子NO含量卻明顯降低。細胞內與炎癥相關基因IL-6、IL-4和TNF-α,內皮功能相關基因ET-1和TGF-β1,凝血功能相關基因P-selectin,凋亡相關基因fas的mRNA表達隨著染毒濃度

11、的增加均明顯升高,而內皮型一氧化氮合酶(eNOS)明顯降低。同時發(fā)現(xiàn),大氣細顆粒物不同成分對血管內皮細胞的氧化損傷、炎癥反應和內皮功能的作用大小依次為:水溶成分＞有機提取物＞非水溶成分,但對細胞凋亡和細胞ROS含量的影響卻是有機提取物＞水溶成分＞非水溶成分。
　　 他汀類藥物能改善內皮功能,增加NO的生物活性,抑制炎性反應和調節(jié)免疫功能,并有很強的抗氧化功能,本次研究使用阿托伐他汀對細顆粒物有機提取物、水溶成分和非水溶成分致EC

12、-304細胞的毒性進行干預,使用濃度為400μg/ml的細顆粒物有機提取物、水溶成分和非水溶成分分別對EC-304細胞進行染毒,同時加入阿托伐他汀藥物進行干預,藥物濃度為0μmol/L、0.1μmol/L、1μmol/L、10μmol/L,觀察藥物對細顆粒物不同成分氧化應激、內皮功能損傷和凋亡等毒性的干預作用。結果顯示,加入阿托伐他汀后,細顆粒物不同成分染毒組的細胞內ROS、MDA和LDH較未加藥組明顯降低,而SOD和NO明顯增加。同時

13、,加入藥物使細胞IL-6、IL-4、TNF-α、ET-1、P-selectin、fas和TGF-β1mRAN表達水平明顯下調,使eNOSmRNA表達上調,并呈劑量－反應關系。由于他汀類藥物在抗氧化損傷、減少炎癥和改善內皮功能方面具有良好的藥理作用,本次實驗表明他汀類藥物能明顯減少細顆粒物暴露所致的氧化應激、炎癥反應、內皮功能損傷和細胞凋亡,結果提示,細顆粒物對心血管系統(tǒng)的損傷是由氧化應激、炎癥反應、內皮功能損傷和細胞凋亡等通路介導的。<

14、br>　　 由于大氣細顆粒物對心血管系統(tǒng)的作用機制尚不清楚,本次研究通過動物實驗和體外細胞實驗研究了大氣細顆粒物對心血管系統(tǒng)的毒性作用,并探索其可能作用機制。結果表明,自主神經功能失調、炎癥反應、纖溶/凝血功能障礙、內皮功能損傷及心肌缺血和細胞凋亡是大氣細顆粒物致心血管系統(tǒng)損傷的可能作用機制,通過他汀類藥物的干預實驗更進一步驗證了這些損傷通路的存在。
　　 總之,本實驗從分子、細胞和動物體等不同的生物學層次進行了較為系統(tǒng)的細顆