镉吸入暴露对小鼠肺微环境及呼吸运动影响的研究

发布时间：2020-08-13 10:18

【摘要】：镉作为一种广泛存在于自然环境中的有毒重金属可通过多种途径进入人体,其中呼吸暴露途径与人体健康的关系越来越受到关注,而肺作为哺乳动物的呼吸器官最易受到含镉气溶胶的致毒作用。体外呼吸道模型研究及流行病学调查都表明,大气颗粒物的粒径分布和暴露浓度与其在肺部的沉积量之间存在一定的相关性,而且肺微环境的改变也被证明与肺疾病的发生密切相关。然而,镉吸入暴露对肺微生物多样性与肺损伤形成及肺微环境重塑过程的影响以及肺损伤后伴随呼吸代偿的呼吸运动状态的变化尚不清楚,而且,传统的肺组织学评价方法,由于操作者的经验差异往往会造成评价结果的偏差。基于此,本论文开展了如下研究:(1)首先创建了一种超声波雾化与气动雾化相结合的两级雾化方法,以实现颗粒物不同粒径分布的含镉液体气溶胶的制备,并通过小鼠的镉吸入暴露实验明确其在肺部沉积和肺损伤中的尺寸效应;(2)建立了一种基于机器视觉的肺组织切片分析方法,实现对肺组织结构的表征,结合肺微生物多样性测序和肺微环境因子相关分析,共同表征镉吸入暴露前后小鼠肺微环境的变化;(3)基于小鼠躯体特征,建立了区域光学描记呼吸运动的方法,探究镉吸入暴露对小鼠呼吸运动的影响。研究结果如下:1.基于两级雾化的镉吸入暴露与可吸入含镉颗粒物的尺寸效应。研究结果发现,在产生相对更多PM_(2.5)的两级雾化条件下,含镉颗粒物在肺部的沉积量更多,同时引起更明显的肺系数增大、肺组织MDA增加即氧化胁迫水平升高、肺实质化、内质网应激相关基因ATF-6和CHOP与炎症反应相关基因TNF-α和IL-6表达水平的上调。说明含镉颗粒物在小鼠肺部沉积和肺损伤中具有显著的尺寸效应,而且PM_(2.5)比PM_(10)与肺部镉浓度和肺损伤有更高的相关性。2.镉吸入暴露引起小鼠肺组织结构改变的机器视觉分析。研究结果发现:(1)机器视觉分析二值化的肺组织切片染色图像时,闭运算结构元素数与定义的肺孔数的拟合曲线呈单峰状,其峰值可作为肺孔数计算的适宜参数;(2)膨胀运算结构元素数与定义的肺孔系数的拟合曲线表现为逻辑斯谛增长,并符合圆孔简化模拟的肺孔膨胀运算的数理检验,表明本研究定义的肺孔系数可作为肺组织结构几何特征描述的有效指标;(3)随着镉吸入暴露剂量的增加(0,1,3,5 mM CdCl_2),小鼠肺组织切片染色图像上肺孔面积、肺孔数和肺孔系数减小,肺组织面积、欧拉数和平均肺孔面积增加,同时,肺纤维化和肺粘液化水平升高,而低剂量镉吸入暴露组(1 mM CdCl_2)有相对较高的肺炎症水平,说明不同剂量的镉吸入暴露可通过其诱导的肺组织结构病理变化以实现肺微环境的改变;(4)镉吸入暴露后小鼠间质性肺炎、肺容积减小和肺大泡可促进肺气体弥散障碍的形成,而肺纤维化使肺弹性阻力增加,这些肺部病理变化伴随有血细胞比容和血红蛋白浓度的升高,表明肺微环境的变化促进了小鼠乏氧性缺氧的发生,而心脏血和支气管肺泡灌洗液的pH升高,表明小鼠缺氧后出现呼吸性碱中毒。3.肺微生物对镉吸入暴露小鼠肺微环境的响应。研究结果发现:(1)不同剂量镉吸入暴露会使小鼠形成不同的肺微环境,除了固有的镉胁迫水平以及肺组织结构的差异之外,还表现为通气水平、pH、营养状况、炎症胁迫和肺微生物多样性等微环境因子的差异;(2)肺微生物与其他肺微环境因子间的相关性不尽相同,在镉吸入暴露引起的肺损伤中,肺微生物可能参与了炎性细胞浸润等肺微环境重塑的过程,炎症胁迫而非镉胁迫是对肺微生物影响最大的微环境因子,而Lactobacillus spp.是受影响最大的肺微生物类群;(3)不同剂量镉吸入暴露导致的组间小鼠肺微生物多样性的差异既可能直接与肺微环境因子的变化相关,也可能基于肺微生物间潜在的物种相关性而间接与肺微环境变化导致的肺微生物间共线性的改变相关;(4)肺微生物的基因功能和代谢通路水平在不同剂量镉吸入暴露条件下有不同的表现,镉吸入暴露后小鼠的肺微生物相比于对照组具有更高的胞外结构相关基因功能水平和更低的泛素化相关代谢通路水平。4.镉吸入暴露引起小鼠呼吸运动改变的躯体特征区域分析。研究结果发现:(1)小鼠腹面的呼吸运动视频比侧面更能真实地反映呼吸运动的周期性,用于呼吸运动视频拍摄焦点定位的膈肌在不同个体中的相对位置比较稳定,而在基于小鼠解剖结构的胸腹分配模型中,定义的胸腹边界在不同个体中的相对位置也比较稳定,同时,当呼吸运动视频分析区域的宽度较小时,检测到的呼吸运动信号出现的噪声数据较少;(2)镉吸入暴露引起小鼠缺氧后出现呼吸运动频率、幅度和谐律指数等的增加,表明呼吸运动代偿性增强的出现及之后稳定性的下降,小鼠呼吸运动与镉吸入暴露剂量和暴露时间的相关性在低剂量和短时间暴露时较低,而随着暴露剂量和暴露时间的增加,其相关性呈现增强的趋势;(3)在小鼠正常以及病理性的胸腹呼吸中,腹式呼吸运动的贡献更大,镉吸入暴露后小鼠胸式和腹式呼吸运动表现出不同的状态变化,腹式呼吸运动在肺损伤后的呼吸代偿中表现出更强的自适应调节和更明显的呼吸运动波动。综上所述,本研究采用原创性的两级雾化吸入暴露、肺组织切片染色图像机器视觉分析和呼吸运动光学描记等新方法,对镉吸入暴露后小鼠肺微环境及呼吸运动的研究表明:含镉颗粒物在小鼠的肺部沉积与肺损伤中具有尺寸效应;镉吸入暴露后,小鼠的肺组织结构和肺微生物多样性等肺微环境因子的改变具有明显的剂量效应;肺微生物对镉吸入暴露的肺微环境具有特殊的响应并与肺组织炎症反应密切相关;镉吸入暴露可导致小鼠呼吸性碱中毒,相较于胸式呼吸运动,腹式呼吸运动在呼吸代偿期内的增强以及稳定性的下降更加明显。本论文工作所采用的新方法及研究结论可为深入开展可吸入颗粒物的毒性效应及机制研究提供参考。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X513;X503.22
【图文】：

均匀分布（图 1-1）。在体外呼吸道模型中的颗粒物沉积情况以及相关流体力学的计算模拟表明颗粒物在呼吸道不同部位的沉积主要受其粒径大小的影响。除了粒径大小，颗粒物的形状和重量也会对其在肺部的沉积产生影响。就粒径而言，颗粒物 PM2.5-10(2.5＜dp＜10 μm)多沉积在咽喉与气管等上呼吸道；颗粒物 PM1-2.5(1＜dp＜2.5 μm)可以进入支气管与细支气管等下呼吸道；颗粒物 PM0.1-1(0.1＜dp＜1 μm)可以进入肺部深处的肺泡区；颗粒物 PM0.1(dp＜0.1 μm)可以透过气血屏障直接进入血液循环系统[65]。

图 1-2 平静呼吸和用力呼吸（引自 Cruithne 9，Breathing-Wikipedia）。Fig. 1-2 Quiet breathing and forceful breathing (cited from Cruithne 9, Breathing-Wikipedia).平静呼气时，呼气肌并不收缩做功，呼吸运动是由膈肌和肋间外肌的舒张驱

将上述两级雾化的工作条件固定，雾化不同浓度的含镉溶液形成相应不同剂量的气溶胶并继续对小鼠进行吸入暴露，通过肺组织结构的机器视觉评价、肺微生物的高通量测序以及对其他肺微环境因子的检测来探究镉吸入暴露对肺微环境的影响。同时，分别对小鼠镉吸入暴露前后的膈肌处胸腹呼吸运动以及胸式和腹式呼吸运动进行表征来探究镉吸入暴露对呼吸运动的影响（图 2-1）。

本文编号：2791871