自由基與矽肺

自由基與矽肺石英粉塵引起肺組織纖維化的緣由，尚未完全闡明。近年來的報道表明，矽肺的發(fā)生可能與自由基有關(guān)。自由基可以引起生物膜磷脂、蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子結(jié)構(gòu)和功能的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致矽肺的形成。對自由基在矽肺發(fā)生進(jìn)展中作用的討論，為矽肺的發(fā)病機(jī)理、預(yù)防和治療供應(yīng)了新的線索與途徑。一、矽肺發(fā)病中自由基的來源。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展，應(yīng)用新技術(shù)新方法，可以直接或間接地檢測到矽肺發(fā)病中存在的自由基，它可能來源于石英自身，或者來源于石英對肺組織的作用。1.石英自身產(chǎn)生的自由基石英粉塵經(jīng)機(jī)械破裂后，表面的Si—O鍵斷裂，形成Si·—和Si—O·基團(tuán)，然后與水作用產(chǎn)生羥自由基（·OH），其濃度與石英的劑量有關(guān)。磨過的石英長期放置會變?yōu)殛惻f的石英，新奇的石英要比陳舊的石英產(chǎn)生更多的·OH，造成更為嚴(yán)峻的損傷。粉塵表面存在的一些金屬離子，特殊是過渡金屬元素，能催化氧化石英粉塵表面吸附的生物基質(zhì)—磷脂、游離脂肪酸、氨基酸以及化學(xué)吸附的氧，形成自由基。粉塵、石棉表面·OH的產(chǎn)生與鐵離子濃度有關(guān)，這對煤工塵肺、石棉肺的形成起著重要作用。2.石英刺激肺巨噬細(xì)胞產(chǎn)生的自由基在細(xì)胞內(nèi)存在著產(chǎn)生自由基的酶，如細(xì)胞液中黃嘌呤氧化酶、醛氧化酶，是常見的能產(chǎn)生自由基的酶；位于質(zhì)膜上的NADPH氧化酶可以使NADPH氧化為NADP，同時使氧還原為超氧陰離子（O）；線粒體是產(chǎn)生自由基的重要場所，其中的呼吸鏈，由很多的酶和輔酶組成，在進(jìn)行電子傳遞時，可以催化自由基的產(chǎn)生。在正常狀況下，機(jī)體產(chǎn)生的自由基維持在較低的水平，但當(dāng)外界的刺激（如粉塵等）作用吞噬細(xì)胞時，可以通過肌酸磷酸化，蛋白質(zhì)酪氨酸磷酸化等多步信號作用，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)活性氧增加。用化學(xué)發(fā)光法測定矽肺病肺泡巨噬細(xì)胞產(chǎn)生的氧自由基，結(jié)果發(fā)覺，這些病人氣管肺泡沖洗液中，巨噬細(xì)胞產(chǎn)生的O可能對矽肺的發(fā)病起著重要作用。將石英粉塵作用于豚鼠肺泡巨噬細(xì)胞（體外）或者注入大鼠氣管內(nèi)（體內(nèi)）均檢測到自由基，但體外直接測定活性氧的試驗(yàn)結(jié)果表明，石英對巨噬細(xì)胞活性氧的釋放早期呈刺激性增加，隨作用時間的延長，其釋放削減，推想這可能是石英損傷肺泡巨噬細(xì)胞，破壞產(chǎn)生活性氧酶的結(jié)果。石英誘導(dǎo)肺巨噬細(xì)胞產(chǎn)生活性氧的作用有待進(jìn)一步探討。3.細(xì)胞內(nèi)抗氧化物的耗損正常狀況下產(chǎn)生的自由基，對機(jī)體維持新陳代謝，合成生物活性物質(zhì)及防備外來微生物的入侵等起著重要作用，但過多的自由基會對機(jī)體造成損害，引起疾病。因此，在體內(nèi)存在清除自由基的體系，如SOD可以促使O轉(zhuǎn)變?yōu)镠O和O，它對O的作用是特異的；過氧化氫酶（CAT）可以特異地降低細(xì)胞內(nèi)HO的濃度；谷胱甘肽過氧化物酶（GSH—Px）可以清除過氧化氫和脂質(zhì)過氧化物（LPO）。當(dāng)體內(nèi)抗氧化物的量或活性下降時，可造成自由基相對增加。對細(xì)胞內(nèi)抗氧化物如GSH—Px和SOD削減，有明顯的劑量-效應(yīng)關(guān)系。其緣由可能是石英本身及其誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞產(chǎn)生自由基消耗了抗氧化物；或者石英粉塵損傷細(xì)胞膜，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)抗氧化酶大量外漏；或者石英粉塵損傷氧化酶，使其活性下降，導(dǎo)致胞內(nèi)自由基相對增加所致。二、矽肺發(fā)病中自由基的作用石英粉塵損傷肺組織，導(dǎo)致肺組織結(jié)構(gòu)和功能的轉(zhuǎn)變。一般認(rèn)為，矽肺的形成包括兩個病理過程：（1）肺巨噬細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能的轉(zhuǎn)變及崩解。（2）成纖維細(xì)胞的增生和膠原的合成。目前報道的文獻(xiàn)表明，石英可能通過自由基對肺組織造成損傷，引起肺纖維化的發(fā)生，即自由基參加了矽肺形成的兩個病理過程。1.對肺巨噬細(xì)胞的作用石英粉塵作用于肺組織及肺泡巨噬細(xì)胞，引起膜脂質(zhì)過氧化的發(fā)生。脂質(zhì)過氧化是自由基作用于膜磷脂的產(chǎn)物。它與細(xì)胞內(nèi)自由基量的增加，抗氧化力量的降低全都。大量的試驗(yàn)顯示，石英粉塵肺致組織脂質(zhì)過氧化的終產(chǎn)物丙二醛（MDA）含量增加，與巨噬細(xì)胞游走力量下降，吞噬功能降低，胞漿標(biāo)志酶乳酸脫氫酶釋放增多，細(xì)胞死亡率增加等細(xì)胞損傷指標(biāo)全都，加入自由基清除劑，可以減輕巨噬細(xì)胞損傷程度和降低脂質(zhì)過氧化的水平。這提示肺泡巨噬細(xì)胞的損傷與自由基有關(guān)。2.對成纖維細(xì)胞的作用自然吸入石英粉塵的大鼠，5天后肺內(nèi)自由基含量增高，3個月達(dá)到最高水平，這與肺內(nèi)成纖維細(xì)胞產(chǎn)生的羥脯氨酸（HOP）增加曲線全都。這表明肺組織的纖維化與自由基之間尚有肯定的關(guān)系。Giri等給試驗(yàn)動物氣管內(nèi)灌注黃嘌噙氧化酶和次黃嘌呤氧化酶，結(jié)果可見肺組織內(nèi)HOP和MDA含量上升，肺泡間隔細(xì)胞釋放的一些成分使成纖維細(xì)胞發(fā)生功能性的轉(zhuǎn)變。最近報道認(rèn)為：自由基可以直接作用于成纖維細(xì)胞導(dǎo)致纖維化。張尚明用Fenton體系（Fe+HO——·OH+OH+Fe）產(chǎn)生·OH作用于人胚肺成纖維細(xì)胞（HELF），·OH在體外能促進(jìn)成纖維細(xì)胞的增殖和膠原的合成，并且這種作用能被·OH清除劑葡萄糖和苯甲酸鈉減輕。George等用黃嘌呤/次黃嘌噙體系產(chǎn)生的O作用于成纖維細(xì)胞增生中各自的作用。自由基可使胸腺嘧啶核苷結(jié)合率降低，若在試驗(yàn)中加入自由基清除劑，可使胸腺嘧啶核苷結(jié)合率恢復(fù)。當(dāng)加入金屬離子鰲和劑，胸腺嘧啶核苷結(jié)合率恢復(fù)到正常對比組的45%；加入SOD后，恢復(fù)到對比組的45%；加入CAT后，可恢復(fù)到對比組的85%；而當(dāng)這三種清除劑共同加入時，則胸腺嘧啶核苷結(jié)合率幾乎與對比組相同。自由基引起成纖維細(xì)胞增殖的機(jī)制目前尚不清晰，是否與自由基對其它細(xì)胞的操作機(jī)制相同，還有待進(jìn)一步討論。三、矽肺形成中自由基的作用機(jī)制自由基含有未配對的電子，為了達(dá)到穩(wěn)定，在體內(nèi)易與有機(jī)物質(zhì)反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)磷脂和膜、蛋白質(zhì)和酶、核酸和染色體的損傷，引起細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的轉(zhuǎn)變，使機(jī)體代謝特別，從而發(fā)生病理生理現(xiàn)象。盡管自由基致矽肺形成機(jī)制尚不清晰，但從對自由基和矽肺討論的水平看，可從以下幾方面進(jìn)行探究。（一）自由基與膜功能的轉(zhuǎn)變自由基對不飽和共價鍵有一種特別的親和力。因此，在體內(nèi)自由基最易攻擊生物膜磷脂中不飽和脂肪酸，引起脂質(zhì)過氧化，導(dǎo)致生物膜的完整性和代謝功能的轉(zhuǎn)變，造成細(xì)胞受損。大量的體內(nèi)外討論表明，石英可以引起肺泡巨噬細(xì)胞及溶酶體、線粒體等膜的脂質(zhì)過氧化。脂質(zhì)過氧化可以使膜流淌性下降，通透性轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)離子失平衡，酶失活和能量代謝率亂，引起線粒體膨脹，溶酶體釋放，最終引起細(xì)胞死亡。（二）自由基與免疫功能的轉(zhuǎn)變已有很多討論表明，矽肺患者體液免疫功能增加，細(xì)胞免疫功能減弱。在矽肺患者體內(nèi)發(fā)覺了自身抗體，且矽結(jié)節(jié)透亮?????性轉(zhuǎn)變被認(rèn)為是來自抗原抗體的反應(yīng)。近十年的討論漸漸發(fā)覺了矽肺患者體內(nèi)細(xì)胞免疫和體液免疫的轉(zhuǎn)變與石英粉塵危害的關(guān)系，表現(xiàn)在隨接塵時間的延長和矽肺病變的加重，血清抗體（IgG和IgA）含量上升，白蛋白含量降低，γ球蛋白增高。但矽肺患者體液免疫和細(xì)胞免疫功能率亂及自身抗體形成的緣由尚不清晰。有人認(rèn)為可能與自由基及MDA有關(guān)?；钚匝蹩墒狗尉奘杉?xì)胞表面CD/CD分子數(shù)量增多，抗原表達(dá)增加，且與活性氧呈相關(guān)性?；钚匝蹩梢允笽gG分子中的—CH—CH—區(qū)域變得更為活潑，導(dǎo)致體液免疫功能增加。MDA也可影響巨噬細(xì)胞的吞噬功能，使C3b受體陽性率降低，導(dǎo)致細(xì)胞免疫功能下降。石英可以通過自由基使矽肺患者的免疫功能紊亂，抗原與抗體的比例失調(diào)，形成抗原抗體復(fù)合物沉積在肺組織，引起肺組織的損傷和纖維化的發(fā)生。（三）自由基與細(xì)胞因子的分泌Heppleston認(rèn)為巨噬細(xì)胞吞入石英粉塵后形成和釋放巨噬細(xì)胞致纖維化因子（MFF），MFF使成纖維細(xì)胞產(chǎn)生大量的羥脯氨酸即纖維化。對MFF的討論表明，MFF可能與白細(xì)胞介素-1（IL-1），腫瘤壞死因子（MDGF）等纖維因子和炎性因子有關(guān)。這些細(xì)胞因子在單獨(dú)或聯(lián)合作用時，均能不同程度地促進(jìn)纖維化細(xì)胞的增生。近期的討論表明，自由基可以影響肺巨噬細(xì)胞分泌致纖維化因子以及影響致纖維化因子的活性。從而誘導(dǎo)成纖維化細(xì)胞的增生和膠原的合成。（四）自由基與酶活性的轉(zhuǎn)變自由基及MDA可以作用于酶分子上的活性基因——巰基，導(dǎo)致酶分子的生物學(xué)活性轉(zhuǎn)變，功能丟失；也可以與酶分子中的金屬離子反應(yīng)，影響酶的活性。自由基通過對酶活性的調(diào)整，來影響矽肺的形成。1.自由基可以影響Ca-MgATP酶的活性，使跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)受阻，胞漿內(nèi)的鈣不能準(zhǔn)時被轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞外，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈣離子快速增加，胞漿內(nèi)游離鈣上升不僅可以激活某些存在于質(zhì)膜、線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)鈣依靠性酶，降解細(xì)胞膜性結(jié)構(gòu)，也可以使細(xì)胞的骨架系統(tǒng)受影響，微管微絲解聚，阻擋新的微管微絲形成，而影響細(xì)胞的功能。不少試驗(yàn)證明，石英粉塵可使肺巨噬細(xì)胞內(nèi)Ca-MgATP酶的活性下降，鈣離子含量增高。目前認(rèn)為細(xì)胞內(nèi)鈣離子增高是導(dǎo)致肺泡巨噬細(xì)胞死亡的重要緣由之一。2.丙二醛作用于核糖核酸酶，使之失活，導(dǎo)致RNA穩(wěn)定性增加，從而使蛋白的合成增加。石英粉塵使部分成纖維細(xì)胞多聚糖體的核糖核酸滅活，使RNA穩(wěn)定，而影響矽肺的形成。3.自由基可以提高細(xì)胞內(nèi)磷酸酶A的活性，導(dǎo)致花生四烯酸的釋放和體內(nèi)氧化物的形成，作用于環(huán)加氧酶，影響血栓素A和前列腺素的合成，促進(jìn)慢性炎癥和纖維化的進(jìn)程。4.自由基可以通過對膠原蛋白的合成。石英可使矽肺酸溶性膠原結(jié)構(gòu)與正常膠原在質(zhì)和量上不同，表現(xiàn)在Si已結(jié)合于膠原分子鏈上，且結(jié)構(gòu)疏松。推想石英粉塵可以通過自由基影響膠原合成中脯氨酰羥化酶而影響膠原分子結(jié)構(gòu)。5.鳥苷酸環(huán)化酶和腺苷酸的活性可受到自由基的影響，鳥苷酸環(huán)化酶催化GTP轉(zhuǎn)變?yōu)镃GMP，ATP轉(zhuǎn)化為CAMP，而CGMP和CAMP是細(xì)胞內(nèi)信息傳遞的二級信使，在調(diào)整體內(nèi)生化過程和生理功能方面具有重要的作用。在矽肺形成的過程中，自由基通過對CGMP的影響而促進(jìn)肺纖維化的形成。（五）自由基與膜蛋白功能的轉(zhuǎn)變膜蛋白在維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能方面具有重要作用。自由基可以修飾氨基酸殘基，引起蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，使膜蛋白的功能特別，影響肺組織的代謝，參加矽肺的形成。1.SiO粉塵可以影響肺表面活性物質(zhì)相關(guān)蛋白（SP-A）的合成和作用，SP-A極易發(fā)生氧化，而氧化的SP-A失去對肺泡功能的調(diào)整作用。SiO粉塵可以通過自由基作用SP-A，造成肺組織的損傷。2.熱應(yīng)激蛋白（HSPs）在正常細(xì)胞中介導(dǎo)其他蛋白質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)和正確的裝配，起著分子伴侶的重要作用。染矽塵大鼠肺泡巨噬細(xì)胞HSP70的表達(dá)增加。據(jù)報道，活性氧基團(tuán)及能量抑制劑可誘導(dǎo)HSP70的產(chǎn)生，而石英塵能產(chǎn)生活性氧基團(tuán)和干擾肺泡巨噬細(xì)胞的能量，因此矽塵引起的肺泡巨噬細(xì)胞HSP70表達(dá)的增加，而影響細(xì)胞分化、細(xì)胞周期、細(xì)胞激活等重要生理過程，參加矽肺的形成機(jī)制。（六）自由基與核酸的損傷自由基可以直接作用于核酸，發(fā)生堿基的修飾和鏈的斷裂。堿基是核酸重要的組成成分，堿基的轉(zhuǎn)變可