【摘要】：鎘作為一種廣泛存在于自然環(huán)境中的有毒重金屬可通過多種途徑進(jìn)入人體,其中呼吸暴露途徑與人體健康的關(guān)系越來越受到關(guān)注,而肺作為哺乳動(dòng)物的呼吸器官最易受到含鎘氣溶膠的致毒作用。體外呼吸道模型研究及流行病學(xué)調(diào)查都表明,大氣顆粒物的粒徑分布和暴露濃度與其在肺部的沉積量之間存在一定的相關(guān)性,而且肺微環(huán)境的改變也被證明與肺疾病的發(fā)生密切相關(guān)。然而,鎘吸入暴露對肺微生物多樣性與肺損傷形成及肺微環(huán)境重塑過程的影響以及肺損傷后伴隨呼吸代償?shù)暮粑\(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化尚不清楚,而且,傳統(tǒng)的肺組織學(xué)評價(jià)方法,由于操作者的經(jīng)驗(yàn)差異往往會造成評價(jià)結(jié)果的偏差�；诖�,本論文開展了如下研究:(1)首先創(chuàng)建了一種超聲波霧化與氣動(dòng)霧化相結(jié)合的兩級霧化方法,以實(shí)現(xiàn)顆粒物不同粒徑分布的含鎘液體氣溶膠的制備,并通過小鼠的鎘吸入暴露實(shí)驗(yàn)明確其在肺部沉積和肺損傷中的尺寸效應(yīng);(2)建立了一種基于機(jī)器視覺的肺組織切片分析方法,實(shí)現(xiàn)對肺組織結(jié)構(gòu)的表征,結(jié)合肺微生物多樣性測序和肺微環(huán)境因子相關(guān)分析,共同表征鎘吸入暴露前后小鼠肺微環(huán)境的變化;(3)基于小鼠軀體特征,建立了區(qū)域光學(xué)描記呼吸運(yùn)動(dòng)的方法,探究鎘吸入暴露對小鼠呼吸運(yùn)動(dòng)的影響。研究結(jié)果如下:1.基于兩級霧化的鎘吸入暴露與可吸入含鎘顆粒物的尺寸效應(yīng)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),在產(chǎn)生相對更多PM_(2.5)的兩級霧化條件下,含鎘顆粒物在肺部的沉積量更多,同時(shí)引起更明顯的肺系數(shù)增大、肺組織MDA增加即氧化脅迫水平升高、肺實(shí)質(zhì)化、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)基因ATF-6和CHOP與炎癥反應(yīng)相關(guān)基因TNF-α和IL-6表達(dá)水平的上調(diào)。說明含鎘顆粒物在小鼠肺部沉積和肺損傷中具有顯著的尺寸效應(yīng),而且PM_(2.5)比PM_(10)與肺部鎘濃度和肺損傷有更高的相關(guān)性。2.鎘吸入暴露引起小鼠肺組織結(jié)構(gòu)改變的機(jī)器視覺分析。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):(1)機(jī)器視覺分析二值化的肺組織切片染色圖像時(shí),閉運(yùn)算結(jié)構(gòu)元素?cái)?shù)與定義的肺孔數(shù)的擬合曲線呈單峰狀,其峰值可作為肺孔數(shù)計(jì)算的適宜參數(shù);(2)膨脹運(yùn)算結(jié)構(gòu)元素?cái)?shù)與定義的肺孔系數(shù)的擬合曲線表現(xiàn)為邏輯斯諦增長,并符合圓孔簡化模擬的肺孔膨脹運(yùn)算的數(shù)理檢驗(yàn),表明本研究定義的肺孔系數(shù)可作為肺組織結(jié)構(gòu)幾何特征描述的有效指標(biāo);(3)隨著鎘吸入暴露劑量的增加(0,1,3,5 mM CdCl_2),小鼠肺組織切片染色圖像上肺孔面積、肺孔數(shù)和肺孔系數(shù)減小,肺組織面積、歐拉數(shù)和平均肺孔面積增加,同時(shí),肺纖維化和肺粘液化水平升高,而低劑量鎘吸入暴露組(1 mM CdCl_2)有相對較高的肺炎癥水平,說明不同劑量的鎘吸入暴露可通過其誘導(dǎo)的肺組織結(jié)構(gòu)病理變化以實(shí)現(xiàn)肺微環(huán)境的改變;(4)鎘吸入暴露后小鼠間質(zhì)性肺炎、肺容積減小和肺大泡可促進(jìn)肺氣體彌散障礙的形成,而肺纖維化使肺彈性阻力增加,這些肺部病理變化伴隨有血細(xì)胞比容和血紅蛋白濃度的升高,表明肺微環(huán)境的變化促進(jìn)了小鼠乏氧性缺氧的發(fā)生,而心臟血和支氣管肺泡灌洗液的pH升高,表明小鼠缺氧后出現(xiàn)呼吸性堿中毒。3.肺微生物對鎘吸入暴露小鼠肺微環(huán)境的響應(yīng)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):(1)不同劑量鎘吸入暴露會使小鼠形成不同的肺微環(huán)境,除了固有的鎘脅迫水平以及肺組織結(jié)構(gòu)的差異之外,還表現(xiàn)為通氣水平、pH、營養(yǎng)狀況、炎癥脅迫和肺微生物多樣性等微環(huán)境因子的差異;(2)肺微生物與其他肺微環(huán)境因子間的相關(guān)性不盡相同,在鎘吸入暴露引起的肺損傷中,肺微生物可能參與了炎性細(xì)胞浸潤等肺微環(huán)境重塑的過程,炎癥脅迫而非鎘脅迫是對肺微生物影響最大的微環(huán)境因子,而Lactobacillus spp.是受影響最大的肺微生物類群;(3)不同劑量鎘吸入暴露導(dǎo)致的組間小鼠肺微生物多樣性的差異既可能直接與肺微環(huán)境因子的變化相關(guān),也可能基于肺微生物間潛在的物種相關(guān)性而間接與肺微環(huán)境變化導(dǎo)致的肺微生物間共線性的改變相關(guān);(4)肺微生物的基因功能和代謝通路水平在不同劑量鎘吸入暴露條件下有不同的表現(xiàn),鎘吸入暴露后小鼠的肺微生物相比于對照組具有更高的胞外結(jié)構(gòu)相關(guān)基因功能水平和更低的泛素化相關(guān)代謝通路水平。4.鎘吸入暴露引起小鼠呼吸運(yùn)動(dòng)改變的軀體特征區(qū)域分析。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):(1)小鼠腹面的呼吸運(yùn)動(dòng)視頻比側(cè)面更能真實(shí)地反映呼吸運(yùn)動(dòng)的周期性,用于呼吸運(yùn)動(dòng)視頻拍攝焦點(diǎn)定位的膈肌在不同個(gè)體中的相對位置比較穩(wěn)定,而在基于小鼠解剖結(jié)構(gòu)的胸腹分配模型中,定義的胸腹邊界在不同個(gè)體中的相對位置也比較穩(wěn)定,同時(shí),當(dāng)呼吸運(yùn)動(dòng)視頻分析區(qū)域的寬度較小時(shí),檢測到的呼吸運(yùn)動(dòng)信號出現(xiàn)的噪聲數(shù)據(jù)較少;(2)鎘吸入暴露引起小鼠缺氧后出現(xiàn)呼吸運(yùn)動(dòng)頻率、幅度和諧律指數(shù)等的增加,表明呼吸運(yùn)動(dòng)代償性增強(qiáng)的出現(xiàn)及之后穩(wěn)定性的下降,小鼠呼吸運(yùn)動(dòng)與鎘吸入暴露劑量和暴露時(shí)間的相關(guān)性在低劑量和短時(shí)間暴露時(shí)較低,而隨著暴露劑量和暴露時(shí)間的增加,其相關(guān)性呈現(xiàn)增強(qiáng)的趨勢;(3)在小鼠正常以及病理性的胸腹呼吸中,腹式呼吸運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)更大,鎘吸入暴露后小鼠胸式和腹式呼吸運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出不同的狀態(tài)變化,腹式呼吸運(yùn)動(dòng)在肺損傷后的呼吸代償中表現(xiàn)出更強(qiáng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)和更明顯的呼吸運(yùn)動(dòng)波動(dòng)。綜上所述,本研究采用原創(chuàng)性的兩級霧化吸入暴露、肺組織切片染色圖像機(jī)器視覺分析和呼吸運(yùn)動(dòng)光學(xué)描記等新方法,對鎘吸入暴露后小鼠肺微環(huán)境及呼吸運(yùn)動(dòng)的研究表明:含鎘顆粒物在小鼠的肺部沉積與肺損傷中具有尺寸效應(yīng);鎘吸入暴露后,小鼠的肺組織結(jié)構(gòu)和肺微生物多樣性等肺微環(huán)境因子的改變具有明顯的劑量效應(yīng);肺微生物對鎘吸入暴露的肺微環(huán)境具有特殊的響應(yīng)并與肺組織炎癥反應(yīng)密切相關(guān);鎘吸入暴露可導(dǎo)致小鼠呼吸性堿中毒,相較于胸式呼吸運(yùn)動(dòng),腹式呼吸運(yùn)動(dòng)在呼吸代償期內(nèi)的增強(qiáng)以及穩(wěn)定性的下降更加明顯。本論文工作所采用的新方法及研究結(jié)論可為深入開展可吸入顆粒物的毒性效應(yīng)及機(jī)制研究提供參考。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：X513;X503.22
【圖文】：

均勻分布（圖 1-1）。在體外呼吸道模型中的顆粒物沉積情況以及相關(guān)流體力學(xué)的計(jì)算模擬表明顆粒物在呼吸道不同部位的沉積主要受其粒徑大小的影響。除了粒徑大小，顆粒物的形狀和重量也會對其在肺部的沉積產(chǎn)生影響。就粒徑而言，顆粒物 PM2.5-10(2.5＜dp＜10 μm)多沉積在咽喉與氣管等上呼吸道；顆粒物 PM1-2.5(1＜dp＜2.5 μm)可以進(jìn)入支氣管與細(xì)支氣管等下呼吸道；顆粒物 PM0.1-1(0.1＜dp＜1 μm)可以進(jìn)入肺部深處的肺泡區(qū)；顆粒物 PM0.1(dp＜0.1 μm)可以透過氣血屏障直接進(jìn)入血液循環(huán)系統(tǒng)[65]。

圖 1-2 平靜呼吸和用力呼吸（引自 Cruithne 9，Breathing-Wikipedia）。Fig. 1-2 Quiet breathing and forceful breathing (cited from Cruithne 9, Breathing-Wikipedia).平靜呼氣時(shí)，呼氣肌并不收縮做功，呼吸運(yùn)動(dòng)是由膈肌和肋間外肌的舒張驅(qū)

將上述兩級霧化的工作條件固定，霧化不同濃度的含鎘溶液形成相應(yīng)不同劑量的氣溶膠并繼續(xù)對小鼠進(jìn)行吸入暴露，通過肺組織結(jié)構(gòu)的機(jī)器視覺評價(jià)、肺微生物的高通量測序以及對其他肺微環(huán)境因子的檢測來探究鎘吸入暴露對肺微環(huán)境的影響。同時(shí)，分別對小鼠鎘吸入暴露前后的膈肌處胸腹呼吸運(yùn)動(dòng)以及胸式和腹式呼吸運(yùn)動(dòng)進(jìn)行表征來探究鎘吸入暴露對呼吸運(yùn)動(dòng)的影響（圖 2-1）。

本文編號：2791871