2023年《安全管理职业卫生》之自由基与矽肺.docx

自由基与矽肺 石英粉尘引起肺组织纤维化的原因，尚未完全说明。近年来的报道说明，矽肺的发生可能与自由基有关。自由基可以引起生物膜磷脂、蛋白质和核酸等生物大分子结构和功能的改变，导致矽肺的形成。对自由基在矽肺发生开展中作用的研究，为矽肺的发病机理、预防和治疗提供了新的线索与途径。 一、矽肺发病中自由基的来源。 随着科学技术的开展，应用新技术新方法，可以直接或间接地检测到矽肺发病中存在的自由基，它可能来源于石英自身，或者来源于石英对肺组织的作用。 1.石英自身产生的自由基 石英粉尘经机械破碎后，外表的Si—O键断裂，形成Si·—和Si—O·基团，然后与水作用产生羟自由基（·OH），其浓度与石英的剂量有关。磨过的石英长期放置会变为陈旧的石英，新鲜的石英要比陈旧的石英产生更多的·OH，造成更为严重的损伤。粉尘外表存在的一些金属离子，特别是过渡金属元素，能催化氧化石英粉尘外表吸附的生物基质—磷脂、游离脂肪酸、氨基酸以及化学吸附的氧，形成自由基。粉尘、石棉外表·OH的产生与铁离子浓度有关，这对煤工尘肺、石棉肺的形成起着重要作用。 2.石英刺激肺巨噬细胞产生的自由基 在细胞内存在着产生自由基的酶，如细胞液中黄嘌呤氧化酶、醛氧化酶，是常见的能产生自由基的酶；位于质膜上的NADPH氧化酶可以使NADPH氧化为NADP，同时使氧复原为超氧阴离子（O）；线粒体是产生自由基的重要场所，其中的呼吸链，由许多的酶和辅酶组成，在进行电子传递时，可以催化自由基的产生。在正常情况下，机体产生的自由基维持在较低的水平，但当外界的刺激（如粉尘等）作用吞噬细胞时，可以通过肌酸磷酸化，蛋白质酪氨酸磷酸化等多步信号作用，导致细胞内活性氧增加。 用化学发光法测定矽肺病肺泡巨噬细胞产生的氧自由基，结果发现，这些病人气管肺泡冲洗液中，巨噬细胞产生的O可能对矽肺的发病起着重要作用。将石英粉尘作用于豚鼠肺泡巨噬细胞（体外）或者注入大鼠气管内（体内）均检测到自由基，但体外直接测定活性氧的实验结果说明，石英对巨噬细胞活性氧的释放早期呈刺激性增加，随作用时间的延长，其释放减少，推测这可能是石英损伤肺泡巨噬细胞，破坏产生活性氧酶的结果。石英诱导肺巨噬细胞产生活性氧的作用有待进一步探讨。 3.细胞内抗氧化物的耗损 正常情况下产生的自由基，对机体维持新陈代谢，合成生物活性物质及防御外来微生物的入侵等起着重要作用，但过多的自由基会对机体造成损害，引起疾病。因此，在体内存在去除自由基的体系，如SOD可以促使O转变为HO和O，它对O的作用是特异的；过氧化氢酶（CAT）可以特异地降低细胞内HO的浓度；谷胱甘肽过氧化物酶（GSH—Px）可以去除过氧化氢和脂质过氧化物（LPO）。当体内抗氧化物的量或活性下降时，可造成自由基相对增加。对细胞内抗氧化物如GSH—Px和SOD减少，有明显的剂量-效应关系。其原因可能是石英本身及其诱导巨噬细胞产生自由基消耗了抗氧化物；或者石英粉尘损伤细胞膜，导致细胞内抗氧化酶大量外漏；或者石英粉尘损伤氧化酶，使其活性下降，导致胞内自由基相对增加所致。 二、矽肺发病中自由基的作用 石英粉尘损伤肺组织，导致肺组织结构和功能的改变。一般认为，矽肺的形成包括两个病理过程：（1）肺巨噬细胞的结构和功能的改变及崩解。（2）成纤维细胞的增生和胶原的合成。目前报道的文献说明，石英可能通过自由基对肺组织造成损伤，引起肺纤维化的发生，即自由基参与了矽肺形成的两个病理过程。 1.对肺巨噬细胞的作用 石英粉尘作用于肺组织及肺泡巨噬细胞，引起膜脂质过氧化的发生。脂质过氧化是自由基作用于膜磷脂的产物。它与细胞内自由基量的增加，抗氧化能力的降低一致。大量的实验显示，石英粉尘肺致组织脂质过氧化的终产物丙二醛（MDA）含量增加，与巨噬细胞游走能力下降，吞噬功能降低，胞浆标志酶乳酸脱氢酶释放增多，细胞死亡率增加等细胞损伤指标一致，参加自由基去除剂，可以减轻巨噬细胞损伤程度和降低脂质过氧化的水平。这提示肺泡巨噬细胞的损伤与自由基有关。 2.对成纤维细胞的作用 自然吸入石英粉尘的大鼠，5天后肺内自由基含量增高，3个月到达最高水平，这与肺内成纤维细胞产生的羟脯氨酸（HOP）增加曲线一致。这说明肺组织的纤维化与自由基之间尚有一定的关系。Giri等给实验动物气管内灌注黄嘌噙氧化酶和次黄嘌呤氧化酶，结果可见肺组织内HOP和MDA含量升高，肺泡间隔细胞释放的一些成分使成纤维细胞发生功能性的改变。最近报道认为：自由基可以直接作用于成纤维细胞导致纤维化。张尚明用Fenton体系（Fe+HO——·OH+OH+Fe）产生·OH作用于人胚肺成纤维细胞（HELF），·OH在体外能促进成纤维细胞的增殖和胶原的合成，并且这种作用能被·OH去除剂葡萄糖和苯甲酸钠减轻。George等用黄嘌呤/次黄嘌噙体系产生的O作用于成纤维细胞增生中各自的作用。自由基可使胸腺嘧啶核苷结合率降低，假设在实验中参加自由基去除剂，可使胸腺嘧啶核苷结合率恢复。当参加金属离子鳌和剂，胸腺嘧啶核苷结合率恢复到正常对照组的45%；参加SOD后，恢复到对照组的45%；参加CAT后，可恢复到对照组的85%；而当这三种去除剂共同参加时，那么胸腺嘧啶核苷结合率几乎与对照组相同。自由基引起成纤维细胞增殖的机制目前尚不清楚，是否与自由基对其它细胞的操作机制相同，还有待进一步研究。 三、矽肺形成中自由基的作用机制 自由基含有未配对的电子，为了到达稳定，在体内易与有机物质反响，导致细胞内磷脂和膜、蛋白质和酶、核酸和染色体的损伤，引起细胞结构和功能的改变，使机体代谢异常，从而发生病理生理现象。尽管自由基致矽肺形成机制尚不清楚，但从对自由基和矽肺研究的水平看，可从以下几方面进行探索。 （一）自由基与膜功能的改变 自由基对不饱和共价键有一种特殊的亲和力。因此，在体内自由基最易攻击生物膜磷脂中不饱和脂肪酸，引起脂质过氧化，导致生物膜的完整性和代谢功能的改变，造成细胞受损。大量的体内外研究说明，石英可以引起肺泡巨噬细胞及溶酶体、线粒体等膜的脂质过氧化。脂质过氧化可以使膜流动性下降，通透性改变，导致细胞内离子失平衡，酶失活和能量代谢率乱，引起线粒体膨胀，溶酶体释放，最终引起细胞死亡。 （二）自由基与免疫功能的改变 已有许多研究说明，矽肺患者体液免疫功能增强，细胞免疫功能减弱。在矽肺患者体内发现了自身抗体，且矽结节透明性改变被认为是来自抗原抗体的反响。近十年的研究逐渐发现了矽肺患者体内细胞免疫和体液免疫的改变与石英粉尘危害的关系，表现在随接尘时间的延长和矽肺病变的加重，血清抗体（IgG和IgA）含量升高，白蛋白含量降低，γ球蛋白增高。但矽肺患者体液免疫和细胞免疫功能率乱及自身抗体形成的原因尚不清楚。有人认为可能与自由基及MDA有关。活性氧可使肺巨噬细胞外表CD/CD分子数量增多，抗原表达增强， 且与活性氧呈相关性。活性氧可以使IgG分子中的—CH—CH—区域变得更为活泼，导致体液免疫功能增强。MDA也可影响巨噬细胞的吞噬功能，使C3b受体阳性率降低，导致细胞免疫功能下降。石英可以通过自由基使矽肺患者的免疫功能紊乱，抗原与抗体的比例失调，形成抗原抗体复合物沉积在肺组织，引起肺组织的损伤和纤维化的发生。 （三）自由基与细胞因子的分泌 Heppleston认为巨噬细胞吞入石英粉尘后形成和释放巨噬细胞致纤维化因子（MFF），MFF使成纤维细胞产生大量的羟脯氨酸即纤维化。对MFF的研究说明，MFF可能与白细胞介素-1（IL-1），肿瘤坏死因子（MDGF）等纤维因子和炎性因子有关。这些细胞因子在单独或联合作用时，均能不同程度地促进纤维化细胞的增生。近期的研究说明，自由基可以影响肺巨噬细胞分泌致纤维化因子以及影响致纤维化因子的活性。从而诱导成纤维化细胞的增生和胶原的合成。 （四）自由基与酶活性的改变 自由基及MDA可以作用于酶分子上的活性基因——巯基，导致酶分子的生物学活性改变，功能丧失；也可以与酶分子中的金属离子反响，影响酶的活性。自由基通过对酶活性的调节，来影响矽肺的形成。 1.自由基可以影响Ca-MgATP酶的活性，使跨膜转运受阻，胞浆内的钙不能及时被转运出细胞外，导致细胞内钙离子迅速增加，胞浆内游离钙升高不仅可以激活某些存在于质膜、线粒体和内质网内钙依赖性酶，降解细胞膜性结构，也可以使细胞的骨架系统受影响，微管微丝解聚，阻止新的微管微丝形成，而影响细胞的功能。不少实验证实，石英粉尘可使肺巨噬细胞内Ca-MgATP酶的活性下降，钙离子含量增高。目前认为细胞内钙离子增高是导致肺泡巨噬细胞死亡的重要原因之一。 2.丙二醛作用于核糖核酸酶，使之失活，导致RNA稳定性增加，从而使蛋白的合成增加。石英粉尘使局部成纤维细胞多聚糖体的核糖核酸灭活，使RNA稳定，而影响矽肺的形成。 3.自由基可以提高细胞内磷酸酶A的活性，导致花生四烯酸的释放和体内氧化物的形成，作用于环加氧酶，影响血栓素A和前列腺素的合成，促进慢性炎症和纤维化的进程。 4.自由基可以通过对胶原蛋白的合成。石英可使矽肺酸溶性胶原结构与正常胶原在质和量上不同，表现在Si已结合于胶原分子链上，且结构疏松。推测石英粉尘可以通过自由基影响胶原合成中脯氨酰羟化酶而影响胶原分子结构。 5.鸟苷酸环化酶和腺苷酸的活性可受到自由基的影响，鸟苷酸环化酶催化GTP转变为CGMP，ATP转化为CAMP，而CGMP和CAMP是细胞内信息传递的二级信使，在调节体内生化过程和生理功能方面具有重要的作用。在矽肺形成的过程中，自由基通过对CGMP的影响而促进肺纤维化的形成。 （五）自由基与膜蛋白功能的改变 膜蛋白在维持细胞结构和功能方面具有重要作用。自由基可以修饰氨基酸残基，引起蛋白质结构的改变，使膜蛋白的功能异常，影响肺组织的代谢，参与矽肺的形成。 1.SiO粉尘可以影响肺外表活性物质相关蛋白（SP-A）的合成和作用，SP-A极易发生氧化，而氧化的SP-A失去对肺泡功能的调节作用。SiO粉尘可以通过自由基作用SP-A，造成肺组织的损伤。 2.热应激蛋白（HSPs）在正常细胞中介导其他蛋白质的跨膜转运和正确的装配，起着分子伴侣的重要作用。染矽尘大鼠肺泡巨噬细胞HSP70的表达增加。据报道，活性氧基团及能量抑制剂可诱导HSP70的产生，而石英尘能产生活性氧基团和干扰肺泡巨噬细胞的能量，因此矽尘引起的肺泡巨噬细胞HSP70表达的增加，而影响细胞分化、细胞周期、细胞激活等重要生理过程，参与矽肺的形成机制。 （六）自由基与核酸的损伤 自由基可以直接作用于核酸，发生碱基的修饰和链的断裂。碱基是核酸重要的组成成分，碱基的改变可导致在基因控制下进行的许多过程受到破坏；核酸分子链的断裂可使核酸的完整性和构型受到破坏，最终引起细胞的死亡。修饰过的DNA一方面具有抗原性，刺激机体产生抗体，导致机体自身免疫反响的发生，影响矽肺的形成；另一方面，DNA携带有遗传信息，自由基作用于DNA导致遗传信息改变，从而控制以DNA为模板的蛋白质的合成，参与机体的代谢。体外实验说明，石棉可以引起肺上皮细胞DNA链的断裂，这可能与其外表铁离子催化产生的·OH有关。石英粉尘作用于肺巨噬细胞，其释放NO