甲状腺激素T3对矽尘致小鼠肺组织炎症和纤维化的影响及初步机制研究

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矽肺是由于在生产过程中长期吸入游离二氧化硅粉尘而引起的一种以进行性肺纤维化为特征的全身性疾病,是全世界危害劳动者健康最重要的职业病之一。然而矽肺的具体发病机制至今尚不明确,而且缺乏针对矽肺的有效治疗药物。甲状腺激素(TH)参与调节免疫系统稳态和能量代谢,在多种病理生理过程中发挥重要作用。已有研究表明,三碘甲状腺原氨酸T3(TH的主要活性形式)具有抑制炎症和促进组织修复的作用。目前,关于T3在矽肺发生发展中的作用研究非常有限,其潜在的机制也尚不清楚。因此,本研究的主要目的是探究T3在矽尘致小鼠肺组织炎症和纤维化中的作用及其可能机制。通过构建小鼠矽肺模型,首先观察染矽尘小鼠甲状腺形态及功能的变化;然后采用早期(染尘同时)补充和晚期(染尘28天后)补充T3两种方法观察T3对矽尘引起的肺组织炎症及纤维化反应的影响;并且从线粒体生物合成以及糖酵解的角度初步探讨T3的作用机制,为矽肺病的防治提供实验证据和理论依据。
  第一部分矽尘暴露对小鼠甲状腺形态和功能的影响
  目的:观察与分析矽尘暴露不同时间后小鼠甲状腺的形态和功能改变情况。
  方法:采用单次暴露式气管内滴注矽尘悬液的方式构建小鼠矽肺模型,将48只C57BL/6雄性小鼠按照体重随机分为Silica组和对照组,分别给予50μl粉尘悬液(含2.5mg矽尘)和同体积的生理盐水。每组小鼠均于染尘7d、28d和84d后随机处死8只,收集小鼠血清、肺组织和甲状腺组织。(1)采用苏木精-伊红(HE)染色、Masson染色病理学观察,以及免疫组化检测肺组织α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)的蛋白含量来评估矽肺模型的有效性。(2)采用HE染色观察染矽尘小鼠甲状腺组织的形态改变。(3)采用酶联免疫吸附试验法(ELISA)检测小鼠血清中T3、游离T3(FT3)、甲状腺素(T4)、游离T4(FT4)和促甲状腺激素(TSH)的含量;采用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)和免疫组化检测小鼠肺组织中甲状腺激素受体α(TRα)和甲状腺激素受体β(TRβ)的mRNA和蛋白表达水平。
  结果:
  (1)小鼠矽肺模型的建立:与对照组相比,气管滴注矽尘7d后,小鼠肺组织炎性反应明显增加,染尘28d和84d后炎性反应仍维持在较高水平;随着染尘时间的延长,小鼠肺组织纤维化反应逐渐增加,且α-SMA的蛋白含量呈进行性增高,以上结果表明小鼠矽肺模型建立成功。
  (2)矽尘暴露对小鼠甲状腺形态的影响:在染尘后各时间点,对照组小鼠甲状腺组织表现为滤泡大小形态基本一致,上皮细胞呈立方形,滤泡腔内胶质球蛋白丰富且均匀;各染尘组小鼠甲状腺组织滤泡上皮细胞呈弥漫性增生,且滤泡腔内胶质不均一,上皮细胞形态有扁平化的趋势,在染尘后期有部分滤泡还出现融合甚至空泡化。
  (3)矽尘暴露对小鼠甲状腺功能的影响:在染尘后各时间点,与对照组相比,Silica组小鼠血清T3、FT3、T4和FT4的含量均明显下降,差异均有统计学意义(P<0.05);在染尘7d和28d后,Silica组小鼠血清TSH的含量与同时间点对照组相比,差异无统计学意义(P>0.05),而染尘84d后,Silica组小鼠TSH含量明显高于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。在染尘后各时间点,与对照组相比,Silica组小鼠肺组织TRα和TRβ的mRNA和蛋白表达水平均明显下降,差异有统计学意义(P<0.05)。
  结论:矽尘暴露在引起肺组织炎症和纤维化的过程中伴随着甲状腺组织形态和功能的改变,且血清TH(T3、FT3、T4和FT4)水平下降以及肺组织中甲状腺激素受体(TRs)表达水平降低,提示矽尘暴露能够引起甲状腺功能受损,造成TH的稳态失衡。
  第二部分外源性补充T3对矽尘致小鼠肺组织炎症和纤维化的影响
  目的:探讨早期补充T3(染尘同时进行补充)和晚期补充T3(染尘28天后进行补充)在矽尘致小鼠肺组织炎性反应及纤维化中的作用。
  方法:预实验初步确定补充T3的适宜剂量范围(12.5~100μg/kg),正式实验分为两部分:I.早期补充T3:将168只C57BL/6雄性小鼠按照体重随机分为7组,分别为生理盐水对照组、Silica组、Silica+T3(12.5μg/kg)组、Silica+T3(25μg/kg)组、Silica+T3(50μg/kg)组、Silica+T3(100μg/kg)组和单纯T3(100μg/kg)组。其中,对照组和单纯T3(100μg/kg)组气管内滴注50μl生理盐水,其余各组均滴注等体积的粉尘悬液(含2.5mg矽尘);并且各组小鼠自染尘当天起按体重腹腔注射相应剂量的T3(T3补充组和单纯T3组)或溶剂(对照组和Silica组)。每组小鼠均于染尘7d、28d和84d后随机处死8只,收集小鼠血清、肺泡灌洗液(BALF)及肺组织。(1)监测小鼠一般表现、体重、呼吸频率、心率、饮水量和进食量以及检测小鼠血清T3、血糖(GLU)、甘油三酯(TG)、总胆固醇(TC)、高密度脂蛋白(HDL-C)和低密度脂蛋白(LDL-C)的含量。(2)检测肺损伤及炎性反应指标:采用酶标板法检测BALF中总蛋白(TP)的含量以及乳酸脱氢酶(LDH)、酸性磷酸酶(ACP)和碱性磷酸酶(AKP)的活性;采用HE染色观察肺组织炎性反应程度并进行炎性评分;采用ELISA检测小鼠BALF中炎性因子IL-1β、TNF-α和IL-6的表达水平。(3)检测纤维化相关指标:采用Masson染色观察肺组织纤维化程度并进行纤维化评分;采用ELISA检测小鼠BALF中TGF-β1的表达水平;采用qRT-PCR检测小鼠肺组织中纤维化相关基因I型胶原-α1(COL1A1)、III型胶原-α1(COL3A1)和纤维黏连蛋白-1(Fn-1)的mRNA相对表达水平;采用Westernblotting检测小鼠肺组织中COL1A1和Fn-1的蛋白表达水平;采用免疫组化检测小鼠肺组织中α-SMA的蛋白含量。
  II.晚期补充T3:将32只C57BL/6雄性小鼠按照体重随机分为4组,分别为生理盐水对照组、Silica组、Silica+T3(100μg/kg)组和单纯T3(100μg/kg)组。Silica组和Silica+T3(100μg/kg)组采用暴露式气管滴注法给予粉尘悬液50μl(含2.5mg矽尘),其余各组以同样的方法分别给予50μl的生理盐水。Silica+T3(100μg/kg)组和单纯T3(100μg/kg)组自染尘28d后(纤维化已形成)每日按体重腹腔注射100μg/kg的T3,对照组和Silica组每日腹腔注射等量溶剂作为对照。每组小鼠均于染尘84d后随机处死8只。收集小鼠血清、BALF及肺组织,检测指标与方法I中相同。
  结果:I.早期补充T3:
  (1)T3对小鼠全身效应的影响:在染尘后各时间点,各T3补充组小鼠血清T3含量较Silica组明显升高,差异有统计学意义(P<0.05),Silica+T3(100μg/kg)组血清T3水平均不高于正常对照组(P>0.05);单纯T3(100μg/kg)组小鼠血清T3含量较正常对照组稍有升高,但未观察到明显的甲亢症状。各组小鼠在体重、基础代谢(饮水量与进食量)、呼吸频率和心率以及血糖等生化指标方面均无明显差异(P>0.05)。
  (2)T3减轻染矽尘小鼠的肺损伤和炎性反应:在染尘后各时间点,与对照组和单纯T3组相比,Silica组小鼠BALF中TP含量及LDH、ACP和AKP活性均明显增高,差异均有统计学意义(P<0.05);HE染色结果显示,Silica组小鼠肺组织中出现间隔缺损、肺泡壁增厚、大量炎性细胞浸润以及结节性改变,并随着染尘时间的延长不断加重,炎性评分较对照组明显增加,且Silica组小鼠BALF中IL-1β、TNF-α和IL-6的表达水平较对照组与单纯T3组均明显增高,差异均有统计学意义(P<0.05);与Silica组相比,各T3补充组能不同程度地降低小鼠BALF中损伤指标(TP、LDH、ACP和AKP)以及炎性因子(IL-1β、TNF-α和IL-6)的表达水平,并降低肺组织炎性评分,且以Silica+T3(100μg/kg)组效果更为明显。
  (3)T3抑制染矽尘小鼠的肺纤维化水平:在染尘后各时间点,Masson染色结果显示,与对照组和单纯T3组相比,Silica组小鼠肺间质出现蓝色胶原沉积,并随着染尘时间的延长不断增多,且纤维化评分明显增加,各T3补充组能不同程度地减少间质内的蓝色胶原沉积并降低纤维化评分;在染尘7d后,各组小鼠肺纤维化相关指标(TGF-β1、COL1A1、COL3A1和Fn-1)差异均无统计学意义(P>0.05);在染尘28d和84d后,与对照组和单纯T3组相比,Silica组小鼠BALF中TGF-β1的表达水平、肺组织COL1A1、COL3A1和Fn-1的mRNA相对表达水平均明显升高,差异有统计学意义(P<0.05);与Silica组相比,各T3补充组能不同程度地降低COL1A1、COL3A1和Fn-1的mRNA相对表达水平;在染尘84d后,与对照组和单纯T3组相比,Silica组小鼠肺组织COL1A1、Fn-1以及α-SMA的蛋白表达水平明显升高,差异均有统计学意义(P<0.05);与Silica组相比,各T3补充组均能减少COL1A1、Fn-1和α-SMA的蛋白表达水平;且在各纤维化指标中,均以Silica+T3(100μg/kg)组下降最为明显。
  II.晚期补充T3也能下调染矽尘小鼠的肺损伤、炎症及纤维化水平:HE和Masson病理结果显示,在染尘84d后Silica+T3(100μg/kg)组小鼠肺组织炎性细胞浸润及胶原沉积较Silica组均明显减少,炎性及纤维化评分下降,差异均有统计学意义(P<0.05)。与Silica组相比,Silica+T3(100μg/kg)组小鼠BALF中肺损伤(TP和ACP)和炎症(IL-1β和IL-6)水平明显减轻,小鼠肺组织中COL1A1、COL3A1和Fn-1的mRNA水平以及COL1A1、Fn-1和α-SMA的蛋白含量明显下降,差异均有统计学意义(P<0.05);其余指标T3补充前后差异无统计学意义(P>0.05)。
  结论:在12.5~100μg/kg的剂量范围内,未观察到T3有明显的毒副作用。染尘同时补充不同剂量的T3能不同程度地减轻矽尘所致肺组织炎症及纤维化反应,且以T3(100μg/kg)组效果最好;在纤维化形成后再给予T3(100μg/kg)补充也能减轻矽尘引起的肺部炎性反应,并能抑制肺纤维化的进展。
  第三部分T3在矽尘致小鼠肺组织炎症和纤维化中的初步作用机制
  目的:从线粒体生物合成和糖酵解的角度初步探讨T3在矽尘致小鼠肺组织炎症和纤维化反应中的作用机制。
  方法:选取早期补充T3实验中不同时间点的生理盐水对照组、Silica组、Silica+T3(100μg/kg)组和单纯T3(100μg/kg)组作为研究对象。(1)采用酶标板法检测肺组织中ATP的含量;采用qRT-PCR和免疫组化检测肺组织中TRα和TRβ的mRNA和蛋白表达水平;采用qRT-PCR和Westernblotting检测线粒体生物合成功能相关因子:过氧化物酶体增殖物激活受体-γ共激活因子-1α(PGC-1α)、核呼吸因子1(NRF1)、核呼吸因子2(NRF2)、线粒体转录因子A(TFAM)和过氧化物酶体增殖物激活受体α(PPARα)的mRNA或蛋白表达水平。(2)采用酶标板法检测肺组织中乳酸的含量;采用qRT-PCR和Westernblotting检测糖酵解相关指标:缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)、己糖激酶2(HK2)和M2型丙酮酸激酶(PKM2)的mRNA和蛋白表达水平。
  结果:
  (1)T3促进染矽尘小鼠的肺组织线粒体生物合成:在染尘后各时间点,与对照组和单纯T3组相比,Silica组小鼠肺组织中ATP含量及TRα、TRβ和PGC-1α的mRNA和蛋白表达水平明显下降,线粒体生物合成相关转录因子NRF1、NRF2、TFAM和PPARα的mRNA相对表达水平明显下降,差异均有统计学意义(P<0.05);与Silica组相比,Silica+T3(100μg/kg)组小鼠肺组织ATP含量及TRα、TRβ和PGC-1α以及线粒体生物合成相关转录因子的表达水平明显升高,差异均有统计学意义(P<0.05)。
  (2)T3抑制染矽尘小鼠的肺组织糖酵解水平:在染尘后各时间点,与对照组和单纯T3组相比,Silica组小鼠肺组织中乳酸含量及HIF-1α和HK2的mRNA和蛋白表达水平明显升高,差异均有统计学意义(P<0.05);与Silica组相比,Silica+T3(100μg/kg)组小鼠肺组织HIF-1α和HK2的mRNA和蛋白表达水平明显下降,差异均有统计学意义(P<0.05)。在染尘7d和28d后,与对照组和单纯T3组相比,Silica组小鼠肺组织PKM2的mRNA和蛋白表达水平明显升高,差异有统计学意义(P<0.05);而Silica+T3(100μg/kg)组小鼠肺组织PKM2的mRNA和蛋白表达水平较Silica组有所下降,差异有统计学意义(P<0.05);在染尘84d后,各组之间PKM2的mRNA和蛋白表达水平差异均无统计学意义(P>0.05)。
  结论:矽尘在暴露后的不同时间点均能使小鼠肺组织ATP水平和线粒体生物合成功能下降,并且提高肺组织乳酸含量和糖酵解水平,T3可能通过促进PGC-1α调控的线粒体生物合成以及抑制HIF-1α/糖酵解通路来减轻矽尘引起的肺组织炎症和纤维化。
  综上,本研究发现在小鼠矽肺的形成过程中伴随着甲状腺组织形态和功能的改变,且血清TH含量明显下降;外源性补充T3(早期和晚期)能够减轻矽尘引起的小鼠肺组织炎症和纤维化反应;T3可能通过改善染矽尘小鼠肺组织的能量代谢失衡,进而发挥抗炎抗纤维化的作用。我们的研究结果为甲状腺激素在矽肺防治中的应用提供了一定的理论依据。
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