有氧运动对二氧化硅纳米颗粒染毒大鼠血液毒性的改善作用_孙湖泊.pdf

论著基础研究基金项目：北京体育大学自主课题（）第一作者简介：孙湖泊，硕士，主治医师，研究方向：营养与健康管理。有氧运动对二氧化硅纳米颗粒染毒大鼠血液毒性的改善作用孙湖泊，李振华 黄沛力，孙志伟，（首都医科大学附属北京地坛医院临床营养科，北京市；北京体育大学医院医疗保障科，北京市；首都医科大学附属北京地坛医院医务处，北京市；首都医科大学公共卫生学院，北京市；北京市环境毒理学重点实验室，北京市）【摘要】目的探讨有氧运动对二氧化硅纳米颗粒（）染毒大鼠血液毒性的改善作用。方法将 只 大鼠随机分为空白对照组、染毒组、低强度运动组、中强度运动组和高强度运动组，每组 只。除空白对照组外，其余组均采用非暴露式气管滴注法构建 染毒模型，空白对照组采用同等体积的生理盐水进行气管滴注。建模成功后，低强度运动组、中强度运动组大鼠分别在每次气管滴注的第 天游泳 、游泳，高强度运动组大鼠分别在每次气管滴注的第 天上午和下午各游泳 ，空白对照组、染毒组不进行运动干预。于首次气管滴注前及处死大鼠前称量大鼠体重，计算体重增加值。于最后一次运动 后采血，检测各组大鼠的血常规指标、血生化指标、超氧化物歧化酶（）及羟脯氨酸水平。结果 染毒组大鼠的白细胞计数、血小板计数升高，红细胞计数降低，血清、肌酐、尿素氮、乳酸脱氢酶、水平均升高（均 ）。低强度运动组、中强度运动组大鼠的体重增加值均低于空白对照组、染毒组、高强度运动组（均 ）。与染毒组、低强度运动组相比，中、高强度运动组大鼠的白细胞计数和血小板计数降低，红细胞计数升高，且血清、肌酐、乳酸脱氢酶、水平均下降（均 ）。中强度运动组大鼠的血清羟脯氨酸水平低于染毒组、低强度运动组、高强度运动组（均 ）。结论 中、高强度的有氧运动可以缓解 造成的炎症反应和氧化应激反应，减轻 造成的心脏、肝脏及肾脏损害。【关键词】有氧运动；二氧化硅纳米颗粒；血液毒性；气管滴注；炎症反应；氧化应激反应；脏器损害；动物实验【中图分类号】【文献标识码】【文章编号】（）：，（，；，；，；，；，）【】（），（），（），（），（），（），【】，近年来，空气污染对人类健康的危害受到越来越多的重视，据估计，每年全球约有 万人因空气污染而死亡。颗粒物（，）暴露和呼吸系统疾病的相关性研究备受关注。二氧化硅纳米颗粒（，）是 中最丰富的无机元素之一，其具有较大的表面积和较低的密度，能在空气中长时间漂浮，容易通过呼吸道进入人体，沉积在肺泡内，甚至穿透气血屏障进入循环系统。研究显示，可以引起各种细胞的氧化应激和炎症反应，随后出现细胞膜损伤、链断裂、线粒体功能障碍、细胞周期阻滞、细胞坏死和凋亡。吸入 会对肺功能产生不利影响，并引发各种心血管效应。流行病学研究显示，大气中 的增加与心血管疾病发病率的升高有关。活性氧 簇 的 形 成 被 认 为 是 毒 性 作 用 机 制 之一。一项 分析显示，运动人群在受污染的空气中运动可能会使机体炎症水平升高并降低肺功能。但慢性运动或定期有氧运动可以促进支气管颗粒物的清除，减轻炎症反应，改善肺功能，或许可以逆转空气污染的有害影响。因此，探讨如何通过运动改善空气污染对健康的影响具有重要意义。目前关于有氧运动是否可以减轻急性 暴露引起的血液毒性，以及保护机体免受 损害的运动强度是多少尚不清楚。故本研究通过构建 染毒大鼠模型，探讨有氧运动对 染毒大鼠血液毒性的改善作用，以期为有氧运动方案的制订提供参考依据。材料与方法 实验动物 只雄性 大鼠，体重（），购于北京维通利华实验动物技术有限公司，所有动物试验均经北京体育大学伦理委员会批准（批准号：）。仪器与试剂 电位及粒度分析仪（公司），型透射电镜（公司），型超声波仪（），型低温高速离心机（公司）。直径，阿拉丁科技（中国）有限公司，羟脯氨酸试剂盒、超氧化物歧化酶（，）试剂盒（南 京 建 成 生 物 工 程 研 究 所，批 号：、），其他试剂均为国产分析纯。实验方法 表征的检测：为研究 的形态特征及平均粒径，将 用超纯水配置成浓度为 的溶液。设超声功率为 ，超声 后，滴一滴到铜网上，置于 恒温孵育箱中缓慢干燥，后，在透射电子显微镜下观察颗粒在高纯水中的形状和分散性，采用 软件分别随机测量 个，并计算平均粒径。取经高压后浓度为 的 超纯水溶液，室温放置，用 电位及粒度分析仪测广西医学 年 月第 卷第 期量 水合粒径的大小及 电位。分组及建模方法：将 大鼠按照随机数字表法分为 组，即空白对照组、染毒组、低强度运动组、中强度运动组和高强度运动组，每组 只。除空白对照组外，其余均采用非暴露式气管滴注法构建 染毒大鼠模型，染毒剂量为世界卫生组织空气质量准则中 日平均浓度的 倍，即 。空白对照组采用同等体积的生理盐水进行气管滴注。在通风橱内应用乙醚麻醉大鼠，将大鼠固定在气管滴注操作台上。将操作台光源对准大鼠前颈部，同时将大鼠的舌体向一侧牵出，在透射光照明下，可以看到大鼠忽明忽暗的气管口，将气管滴注管插入气管口，尽量插深，保证注射器口露出口腔即可；松开牵出的舌体，将棉花纤维放置于注射器接口，若棉花纤维随着大鼠呼出的空气前后摆动，则表明插管成功，反之，则重新插管。插管成功后，轻推注射器将液体滴注到大鼠肺部。考虑到麻醉和滴注对大鼠的损伤，本实验采取隔日染毒的方式，共进行 次染毒干预。染毒完成 周后，染毒组与各运动组大鼠毛色暗淡，逐渐失去光泽，无死亡，均建模成功。称量各组大鼠首次气管滴注时及处死前的体重，大鼠体重增加值为处死前的体重减去首次气管滴注时的体重。有氧运动方法：空白对照组和染毒组不进行运动干预，低强度运动组大鼠在每次气管滴注第 天游泳，中强度运动组大鼠在每次气管滴注第 天游泳，高强度运动组大鼠在每次气管滴注第 天上午和下午各游泳 。以上运动干预共进行 次。在最后一次游泳 后给予大鼠 的水合氯醛进行腹腔麻醉，经腹主动脉采血。观察指标血常规指标测定：取 全血，采用 公司的 型血液分析仪检测血液中的红细胞计数、白细胞计数、血小板计数及血红蛋白水平。血生化指标测定：取 血液，经 离心，提取血清，采用 公司的 型全自生化分析仪检测血清、尿素氮、肌酐、乳酸脱氢酶（，）水平。血清 水平检测：取适量 中的血清，按试剂盒说明书具体步骤检测血清 水平。羟脯氨酸检测：取适量 中的血清，按试剂盒说明书具体步骤检测羟脯氨酸水平。统计学分析 采用 软件进行统计学分析。计量资料以（）表示，多组间比较采用单因素方差分析，进一步两两比较采用 检验。以 表示差异具有统计学意义。结 果 表征在透射电子显微镜下可观察到，在超纯水中呈现椭球形，颗粒比较均匀，大小一致，粒径为（），见图。电位及粒度分析仪测定 的电荷为 ，见图，水合粒径为 ，见图。图 表征注：为 透射电镜图；为 电荷图；为 水合粒径图。组大鼠体重增长情况 各组大鼠体重增加值差异有统计学意义，低强度运动组、中强度运动组大鼠的体重增加值均低于空白对照组、染毒组、高强度运动组（均 ），但染毒组的体重增加值与空白对照组相比差异无统计学意义（）。见表。，表 各组大鼠体重增长情况的比较（，）组别体重增加值空白对照组 染毒组 低强度运动组 中强度运动组 高强度运动组 值 值 注：与空白对照组比较，；与染毒组比较，；与低强度运动组比较，；与中强度运动组比较，。组大鼠血常规指标的比较 与空白对照组比较，染毒组、低强度运动组大鼠的白细胞计数和血小板计数升高，红细胞计数降低；与染毒组、低强度运动组相比，中强度运动组、高强度运动组大鼠的白细胞计数和血小板计数降低，红细胞计数升高（均 ）。组大鼠的血红蛋白水平差异无统计学意义（）。见表。表 组大鼠血常规指标的比较（）组别白细胞计数（）红细胞计数（）血红蛋白（）血小板计数（）空白对照组 染毒组 低强度运动组 中强度运动组 高强度运动组 值 值 注：与空白对照组比较，；与染毒组比较，；与低强度运动组比较，。组大鼠血生化指标的比较 与正常对照组相比，染毒组血清、尿素氮、肌酐、水平升高，除尿素氮水平外，低强度运动组其他生化指标水平亦高于正常对照组（均 ）；与染毒组比较，中强度运动组、高强度运动组上述生化指标水平均降低，而低强度运动组除 水平外，其他生化指标水平亦低于染毒组（均 ）；与低强度运动组比较，中强度运动组、高强度运动组的血清、肌酐、水平均降低（均 ）；与中强度运动组比较，高强度运动组的血清、肌酐、水平降低（均 ）。见表。表 组大鼠血生化指标水平的比较（）组别（）（）尿素氮（）肌酐（）（）空白对照组 染毒组 低强度运动组 中强度运动组 高强度运动组 值 值 注：与空白对照组比较，；与染毒组比较，；与低强度运动组比较，；与中强度运动组比较，。组大鼠血清 水平的比较 与空白对照组比较，其他 组大鼠血清 水平均升高（均 ）；中强度运动组、高强度运动组血清 水平均低于染毒组、低强度运动组，且中强度运动组血清 水平低于高强度运动组（均 ）。见表。组大鼠血清羟脯氨酸水平的比较 中强度运动组血清羟脯氨酸水平均低于空白对照组、染毒组、低强度运动组、高强度运动组（均 ），见表。表 组大鼠血清 水平的比较（，）组别空白对照组 染毒组 低强度运动组 中强度运动组 高强度运动组 值 值 注：与空白对照组比较，；与染毒组比较，；与低强度运动组比较，；与中强度运动组比较，。广西医学 年 月第 卷第 期表 组大鼠血清羟脯氨酸水平的比较（，）组别羟脯氨酸空白对照组 染毒组 低强度运动组 中强度运动组 高强度运动组 值 值 注：与空白对照组比较，；与染毒组比较，；与低强度运动组比较，；与中强度运动组比较，。讨 论 尽管世界各地的环境机构已为改善全球生态环境做出了巨大努力，但环境 仍然是导致肺部疾病的主要因素。虽然定期有氧运动可以缓解 引起的肺部炎症损伤，但在环境 下进行运动的安全阈值仍有待确定。研究显示，空气质量下降和 浓度增加与中国居民每天 每周户外休闲活动时间减少、白天 夜晚睡眠时间增加有关。雾霾的出现可能会阻碍人们进行户外活动或改变人们体育活动的方式。在毒理学研究中，实验动物体重的变化情况可以作为一个客观反映动物中毒后整体状态变化情况的量化指标。本研究中，染毒组大鼠的体重增加值与空白对照组相比差异无统计学意义（），说明短期内气管滴注 对大鼠的整体状态变化影响不大。与传统大小的颗粒相比，更容易进入血液，可通过肺泡毛细血管屏障从肺迁移至体循环，故本研究还观察了 及运动干预对大鼠血常规、血生化指标的影响。白细胞计数升高最常见的原因是感染，且感染程度往往与白细胞计数呈正比。而红细胞的主要功能是运输氧气及二氧化碳，最新研究发现红细胞也具有增强细胞吞噬和免疫黏附的作用。血小板的主要功能是凝血、止血及修补破损的血管，血小板增多症常见于急慢性炎症。本研究中，染毒组大鼠的白细胞计数和血小板计数高于空白对照组，红细胞计数低于空白对照组（均 ），提示 可引起大鼠机体炎症反应增强。而与染毒组、低强度运动组相比，中强度运动组、高强度运动组大鼠的白细胞计数和血小板计数均降低，红细胞计数升高（均 ），说明中、高强度的有氧运动可以缓解 引起的机体炎症反应。主要存在于心脏、肝脏、肾脏、骨骼肌或肺脏等组织中。发生心肌梗死、急性肝炎时，细胞膜出现损伤，导致 升高。本研究中，染毒组大鼠血清 水平高于空白对照组，而中强度运动组的 水平低于染毒组、低强度运动组、高强度运动组（），说明中强度有氧运动更有利于改善 造成的主要组织的细胞膜损伤。主要分布在心肌，当心肌细胞受损时，细胞膜通透性增大，胞浆内的 释放入血，故其血清含量升高，临床上将其作为心肌梗死和心肌炎的辅助检查指标。本研究中，染毒组大鼠血清 水平高于空白对照组，而高强度运动组的血清 水平低于染毒组、低强度运动组、中强度运动组（均 ），说明高强度的有氧运动更有利于机体改善 造成的心肌细胞损伤。在各种病毒性肝炎的急性期、药物中毒性肝细胞坏死时，大量释放入血，因此它是判断急性肝细胞损伤的敏感标志物。本研究中，染毒组大鼠血清 水平高于空白对照组，而中强度运动组、高强度运动组的血清 水平与正常对照组相比差异无统计学意义（均 ），而 低 于 染 毒 组、低 强 度 运 动组（均