舰船燃烧后有毒烟雾对大鼠肺组织损伤的长期影响

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  【摘要】目的:明确舰船火灾中有毒烟雾吸入后是否对肺组织有长期的损伤,并探讨其机制。方法:大鼠肺组织病理学HE染色检查,气管粘膜原代细胞培养及CK19免疫荧光染色,激光共聚焦显微镜观察。结果:与对照组相比,烟雾吸入后3d可引发急性肺损伤,烟雾吸入后3m可引发慢性肺损伤,烟雾吸入后3m组细胞胞质中CK19表达的绿色荧光明显增强。结论:有毒烟雾吸入后可对大鼠肺组织造成长期慢性损伤,并有可能导致支气管粘膜上皮细胞向恶性转化。
  【关键词】烟雾吸入;肺损伤;CK19
  Long term injury of lung tissue by smoke inhalation in rats after ship burning
  Ying Xie, Xue Chen, You Hu, Ying Wang*
  Huanghe North Avenue, Shenyang, Liaoning, Shenyang 110034, Liaoning, China
  Abstract: Objective: This study was to determine whether long-term damage to lung tissue is caused by inhalation of toxic fumes in ship fires and to explore mechanisms. Methods: Histopathological examination of lung tissue in rats was performed by HE, primary tracheal mucosal cell culture and CK19 immunofluorescence staining, and confocal laser scanning microscopy. Results: Compared with the control group, acute lung injury was induced at 3 days after smoke inhalation, and chronic lung injury was induced at 3 m after smoke inhalation.The green fluorescence of CK19 expression in the cytoplasm of the 3m group after smoke inhalation was significantly increased. Conclusion: Toxic smoke can cause long-term chronic damage to lung tissue in rats, and may lead to malignant transformation of bronchial epithelial cells.
  Key words: Smoke inhalation;Lung injury;CK19
  [中图分类号]R4 [文献标识码]A [文章编号]2096-5249(2018)04-026-03
  前言
  火灾是舰船海难中危险性及破坏性极大的事故。舰船舱室是相对密闭的空间,其中的非金属材料在燃烧过程中会产生大量有毒的混合烟雾。已有研究表明,有毒烟雾可损害呼吸系统,造成急性肺损伤(acute lung injury;ALI),直接危害船员的生命安全[1-3]。但这些研究均局限于烟雾吸入后的急性肺损伤机制及治疗方法[4]。如果未进行干预治疗,有毒烟雾吸入后对肺组织是否有长期的损伤,目前未见文献报道。本研究拟观察舰船非金属材料燃烧后的有毒烟雾后三个月,SD大鼠的肺组织的病理变化及气管粘膜上皮细胞中细胞角蛋白19(CK19)的表达变化,明确有毒烟雾吸入后是否对肺组织有长期的损伤并探讨其机制。
  1 材料和方法
  1.1 仪器和试剂 共聚焦显微镜采用日本OLYMPUS公司FV500型显微镜。兔抗鼠CK19单克隆抗体和FITC标记的羊抗兔IgG均购自Sigma公司。
  1.2 实验动物与分组 SPF级雄性SD大鼠80只(上海西普尔-必凯实验动物有限公司提供),随机分为3组(第1组:对照组40只;第2组:吸雾吸入后3d解剖组20只;第3组:吸雾吸入后3m解剖组20只。
  1.3 吸入染毒 将燃烧材料按一定的用量比剪成10×10mm的小块,置于燃烧箱内,用液化气炉点燃非金属材料发烟3min后,将动物放入染毒箱内吸入15min,然后将动物取出呼吸空气。吸入染毒后3天解剖第一组中的20只动物及第2组全部动物,进行肺组织病理学检查;其余第1组和第3组动物不给于任何干预性治疗,将全部动物饲育3个月后,进行肺组织病理学检查及气管粘膜原代细胞培养。
  1.4 解剖及肺组织病理学检查 动物拉颈处死,无菌切取3~9环气管,置于装有30ml PBS的离心管中,用于气管粘膜原代细胞培养。取出肺脏,10%中性福尔马林灌注并固定,然后进行石蜡包埋HE染色,镜检。
  1.5 气管粘膜原代细胞培养 在超净台内,用含青霉素(500U/ml)、链霉素(500?g/ml)和二性霉素B(5?g/ml)的D-Hanks液灌洗支气管腔直至洗出液清亮为止,总冲洗时间不少于30min。最后往腔内加满37℃预温的0.1%蛋白酶ⅪⅤ溶液(溶于含100U/ml青霉素和100?g/ml链霉素的D-Hanks液),夹闭气管口后放入500ml的烧瓶,用D-Hanks液浸沒组织,再置于37℃恒温摇床中约100r/min振摇消化40-60min。然后吸出消化液,用DMEM/F12(含100U/ml青霉素、100?g/ml链霉素和5?g/ml二性霉素B)洗液反复冲洗管腔,收集洗液,与消化液合并,1000r/min离心10min。离心前先取支气管内液体少许涂片在镜下检查细胞状况。离心后弃上清液,沉淀用新鲜洗液重悬,再次离心5min。弃上清液,用完全培养液重悬沉淀,并反复吹打,然后以约105个/cm2密度接种于涂有鼠尾胶原的25cm2塑料培养瓶,置37℃、5%CO2中培养。完全培养液为DMEM/F12,加胰岛素(5?g/ml)、转铁蛋白(10?g/ml)、氢化可的松(0.5?g/ml)、表皮生长因子(10ng/ml)、维甲酸(10-7mol/L)、牛血清白蛋白(0.5mg/ml)和5%胎牛血清,另加青霉素(100U/ml)和链霉素(100?g/ml)。一般24h后换液,用D-Hanks液荡洗细胞2至3遍,换以新鲜的培养液,25cm2瓶每瓶3ml左右,继续培养。随后每2-3天换液一次。待细胞约80%左右汇合时进行传代。用D-Hanks液荡洗细胞2遍,加入1%胰蛋白酶/ 0.02% EDTA(1:1混合)约1.5ml,反复晃动8-10次,吸弃绝大部分消化液,将培养瓶置37℃培养箱中。待绝大部分细胞脱落,加入新鲜培养液轻轻吹打,吸取适量细胞悬液至新瓶,再补足培养液。   1.6 气管粘膜原代细胞CK19免疫荧光染色 (1)细胞盖玻片经PBS洗涤后用0.1tritonX-100PBS液室温孵育30min。
  (2)用10g/L BSA封闭10min后,将即用型兔抗鼠CK19抗体分别加到载有细胞的盖玻片上,4℃孵育过夜。
  (3)经PBS洗涤后加入FITC标记的抗兔IgG(稀释度为1:200),37℃孵育60min。
  (4)PBS洗涤,用无荧光缓冲甘油封固后,直接在CLSM下观察并拍照。以PBS替代一抗作为阴性对照。
  1.7 激光共聚焦顯微镜观察 以绿色荧光通道扫描观察。绿色荧光的激发波长为488nm,在530nm波长以上观察。用于图像采集的显微镜物镜为plan Neofluar 40×,数值孔径(NA)为1.3,图像存为512×512相素类型,扫描激发值选择3%。每张玻片选择细胞较为密集的区域,每高倍视野随机选取20个细胞,利用软件分析荧光强度。实验重复进行3次,以平均荧光强度作为该蛋白的相对表达量。
  1.8 数据记录及统计分析 计数数据采用卡方检验。
  2 结果
  2.1 烟雾吸入后不同时相点大鼠肺组织病理学改变 烟雾吸入后3d解剖并进行病理组织学检查,第2组20只动物肺组织病理改变均出现不同程度的肺泡上皮细胞坏死,肺泡腔内大量含棕黄色颗粒的巨噬细胞聚集,还有少量红细胞及水肿液,肺泡间隔增厚、水肿、毛细血管扩张充血,中性粒细胞浸润,黑色颗粒物呈弥漫性沉积在小支气管和肺泡腔内(图1B)。对照组动物肺组织未见异常(图1A),第2组动物急性肺损伤的发生率高于对照组(P<0.01)。
  烟雾吸入后3m解剖,第3组动物中的15只肺组织未见异常,其余5只动物可见肺泡间隔增厚,在增宽的肺泡间隔内及小支气管周围可见梭形的成纤维细胞增生,肺间质内淋巴细胞的浸润,可观察到黑色颗粒物呈弥漫性沉积在小支气管和肺泡腔内,并可见异物巨细胞(图1C,箭头所示)。对照组动物肺组织未见异常,第3组动物慢性肺损伤的发生率高于对照组(P<0.05)。
  2.2 原代培养细胞 培养24h后,低倍镜下看到细胞呈多角形或圆形,以岛屿状形式存在,单个细胞较少。已贴壁细胞形态更表现出典型的鹅卵石铺路石状排列(图2)。
  2.3 细胞形态学的改变 烟雾吸入后3m,原代细胞经过CK19免疫荧光染色后,在激光共聚焦显微镜下观察各组细胞形态学的改变,结果发现对照组20只动物的气管粘膜原代细胞可以看到胞质中有角蛋白表达(绿色荧光),呈弥漫性散在分布(图3A)。第3组中有8只动物的气管粘膜原代细胞胞质中角蛋白表达增强,呈团块状分布(图3B)。与对照组比较,第3组细胞胞质中CK19表达的绿色荧光明显增强(P<0.01)。
  3 讨论
  舰船发生火灾后,非金属材料燃烧时产生的烟雾是造成吸入性损伤的主要原因。ALI是ICU最常见的急危重症,以肺泡上皮和肺毛细血管内皮细胞的损伤为主要病理生理改变,以急性非心源性肺水肿和顽固性低氧血症为主要临床表现的综合征[5,6]。在本研究中,急性肺损伤病理改变特征为肺泡上皮细胞坏死,肺泡腔内大量含棕黄色颗粒的巨噬细胞聚集,少量红细胞及水肿液,肺泡间隔增厚,毛细血管扩张充血,中性粒细胞浸润,黑色颗粒物呈弥漫性沉积在小支气管和肺泡腔内。说明烟雾作为损伤因素可直接作用于肺泡膜引起直接肺损伤,也可以通过激活中性粒细胞、巨噬细胞等引起间接的肺损伤。由于ALI病死率较高,目前常见的治疗措施是机械通气、药物治疗及适当采取细胞疗法。但如果因某些原因未进行及时治疗,有毒烟雾吸入后对肺组织是否有长期的损伤?本研究的结果是烟雾吸入后3m,第3组慢性肺损伤的发生率高于对照组。可见肺泡间隔增厚,成纤维细胞增生,淋巴细胞浸润,可观察到黑色颗粒物呈弥漫性沉积在小支气管和肺泡腔内,并可见异物巨细胞。说明随着时间的延长,肺组织开始进行修复,且多数动物的肺损伤达到完全修复,但仍有少数动物的肺损伤由急性期转入到慢性期。进一步的研究表明,经过气管粘膜原代细胞培养及CK免疫荧光染色后,结果发现对照组细胞胞质中有CK19表达,呈弥漫性散在分布。与对照组比较,第3组细胞胞质中CK19表达明显增强。CK是上皮细胞的一种中间丝蛋白,是构成细胞骨架、参与细胞运动等功能的一种蛋白质,有很高程度的组织和分化特异性。CK至少由20余种多肽组成,其中CK19是一种分子量为40KD的角蛋白,近年来的研究表明,当气管上皮细胞发生转化或癌变时,CK19的表达明显增强,对非小细胞肺癌的诊断有一定意义,用于肿瘤的临床辅助诊断、预后及疗效评估[7,8]。
  舰船火灾是海运业的职业危害因素之一。当密闭舱室内发生火灾时,不完全燃烧的有毒烟雾可导致船员死亡或不同程度的肺损伤。本研究结果提示,舰船燃烧后有毒烟雾所致的ALI,需及时进行保护性肺通气及药物治疗。如果受伤船员烟雾吸入后未能及时治疗,随着时间延长,肺损伤将由急性期转为慢性期,而这种持续的慢性肺损伤及修复过程,有可能导致支气管粘膜上皮细胞向恶性转化。因此,应对船员加强消防安全防护知识的宣传教育,对船员进行有毒烟雾吸入危险性及预防措施教育,提高防护意识,是减少有毒烟雾吸入后肺损伤的有效措施。本研究评价了舰船火灾中有毒烟雾对肺组织的危害,可以为研究舰船火灾时船员对烟雾的防护措施及中毒船员救治技术提供试验依据。
  参考文献
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  基金项目: 本研究受2017年辽宁省科学事业公益研究基金项目(20170025)及2017年度辽宁省教育评
  价协会第二届教学改革与教育质量评价研究项目(PJHYYB17189)资助
  *通讯作者简介: 王莹(1970.07-), 女, 博士, 沈阳, 沈阳医学院, 副教授,
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