矽肺動物模型的研究進展

甘永金　李羨筠

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

【關鍵詞】矽肺;大鼠;小鼠;兔子;犬;豬;動物模型;研究進展

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

在全球范圍內，矽肺病正在危害著數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生組織的關注重點^[1]。大量關于矽肺的研究均通過動物實驗，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用及復制方法作綜述。

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、粉塵注入量較準確，且不需要對動物進行有創傷性的操作，不會增加感染風險。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。②氣管暴露注入法。優點是注入動物體內的粉塵劑量較精確，且注入部位準確、誤注入食管的機會極小，成功率較高。缺點是需要將動物氣管切開，使其暴露于外界環境中，感染機會增多，死亡率有可能隨之增加。③吸入法。是露方式與職業接觸SiO₂的方式相近，極其符合人體肺纖維化的發生發展全過程。缺點是染塵時間較長，資金投入較多，實驗成本較高。

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一次性注入質量濃度為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天觀察相關指標，結果顯示，隨著觀察時間的增加，大鼠肺臟器系數、肺組織中HPY水平持續性增加。染塵第1天可見肺組織中性粒細胞和巨噬細胞輕度浸潤;染塵第3、5天可見巨噬細胞逐漸聚集、肉芽腫結節形成、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、形成膠原性結節;染塵第14天細胞結節數量增多、體積變大、發生進行性纖維化;染塵第28天肺泡間隔遭到損壞、發生大面積纖維化;染塵第42天成巨大的纖維性結節;染塵第56天時纖維性結節已很明顯。李穎等^[16]采用支氣管直接注入法直接向大鼠氣管內注入質量濃度為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。肺組織病理切片結果顯示，大鼠肺泡間隔增厚，肺泡結構紊亂，肺泡腔及間質內有大量炎性細胞浸潤，可見纖維性矽結節形成;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，進行肺組織HE染色觀察。結果顯示，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象明顯。HE染色可見，肺組織水腫，肺泡隔增寬，炎性細胞浸潤，以巨噬細胞為主，部分肺泡斷裂、融合、閉塞，肺泡結構破壞明顯肺組織局部可見大片的團塊狀炎癥浸潤和纖維化灶成纖維細胞大量增生間質膠原纖維增生呈帶狀，細支氣管腔內可見分泌物;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。向小鼠氣管內一次性注入質量濃度為50 g/L的矽塵混懸液（SiO₂純度為95%，粒徑<5.0 μm）100.0 μL，結果顯示，血管平滑肌細胞、支氣管上皮細胞及巨噬細胞堿性成纖維細胞生長因子（basic fibroblast growth factor，bFGF））均有表達，且以平滑肌細胞為主;染塵組小鼠第28 d肺組織的細胞結節內出現bFGF弱陽性表達;肺組織成纖維細胞生長因子受體-1高表達于結節內的肺巨噬細胞，血管平滑肌細胞及間質細胞，且表達量隨染塵時間和結節面積的增加而加強;肺組織病理學檢查顯示，染塵組小鼠第7 d雙肺大面積肺泡結構破壞，可見肺泡壁增厚，氣管及血管周圍炎性細胞浸潤，巨噬細胞大量增加;染塵第14 d肺組織炎癥減弱，肺泡壁明顯增厚，出現較明顯的以單核巨噬細胞樣細胞為主的細胞性結節。染塵第21 d時結節內開始出現成纖維細胞增生，細胞性矽結節明顯增多，結節面積增大;染塵第28 d細胞結節個數增多，面積增大，充斥整個肺部，但仍以細胞性結為主。左斌等^[6]采用氣管暴露注入法予大鼠氣管內一次性注入質量濃度為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，進行觀察。結果顯示，染塵第3天SiO₂組大鼠肺部表現為明顯的急性炎癥，可見肺泡壁水腫、肺泡腔內肺泡巨噬細胞和中性粒細胞增多;染塵第7天可見肺泡間隔增厚，成纖維細胞、毛細血管增多;染塵第14天可見肺泡壁或/和支氣管壁有纖維性增厚，伴有肺泡構的破壞，有矽肺結節形成。

1.3 吸入染塵法? 有學者^[6]采用 HPOE-MED8050動式染塵控制系統對大鼠進行SiO₂質量濃度為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，進行HPY觀察。結果顯示，各染塵組肺臟器系數和肺組織內HPY水平隨染塵時間延長而逐漸增加;病理組織學觀察，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胞圍繞，以單核細胞和淋巴細胞為主;染塵第2周組可見肺泡內有紅染物及泡沫細胞;染塵第4周組巨噬細胞呈結節狀，肺泡上皮細胞部分脫落，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型上皮細胞腺管樣增生;染塵第12周組出現纖維性結節。采用^[7]HPOE-MED8050動式染塵控制系統對大鼠進行SiO₂質量濃度為2 000 mg/m³的吸入染塵，每天染塵3 h，染塵第16周處死大鼠進行觀察，結果顯示，馬松三色染色顯示肺組織結節及間質纖維化區域出現藍紫色膠原沉積;免疫熒光結果顯示肺組織纖維化病變區域α-平滑肌肌動蛋白表達增強。

2 矽肺動物模型的應用

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

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、無不良反應小的矽肺治療藥物，為此進行了大量的研究。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，證實牛磺酸對矽塵誘導大鼠肺組織巨噬細胞、中性粒細胞、淋巴細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拉奉（4 mL/kg﹒d），連續28 d，該實驗證實依達拉奉可降低大鼠肺組織自由基及轉化生長因子-β水平，對矽肺大鼠有較好的治療作用。

3 展望

矽肺是一種嚴重危害人類身體健康的職業病，國內外許多研究者都致力于矽肺纖維化機制的研究。其研究方法大多利用動物模型來模擬人體肺纖維化的進程，以探究其發生機理。動物模型的成功建立是探討肺纖維化發生發展機制的關鍵步驟，為矽肺的預防、診斷、治療等方面研究提供了有效的途徑。

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