引用本文： 李怡, 雷豐豐, 厚銀環, 桑迎竹. 沙塵細顆粒物吸入對大鼠肺組織 TNF-α、MMP、TGF-β1 及部分膠原蛋白等指標影響的研究. 中國呼吸與危重監護雜志, 2020, 19(3): 264-269. doi: 10.7507/1671-6205.201910012 復制
近年來，土地沙漠化成為全球最重要的生態環境問題之一。土地沙漠化會造成沙塵天氣頻繁發生。我國甘肅河西走廊到內蒙古中西部、寧夏干旱地等是受沙塵暴影響最嚴重的地區。沙塵天氣，尤其是沙塵暴發生時，大氣中不同粒徑顆粒物（particle matter，PM）濃度明顯升高[1]。PM 在轉移和傳輸過程中可吸附有害氣體、重金屬元素、有機污染物以及病毒、細菌等物質，尤其是其中的細顆粒物 PM2.5 可吸入呼吸道深處，影響肺泡巨噬細胞的吞噬能力，并誘發炎癥免疫反應，引起呼吸、心血管、內分泌等系統一系列病變[2-3]。我們前期的研究通過模擬沙塵暴真實環境，發現暴露于一定時間的沙塵暴環境能夠引起大鼠肺間質發生纖維化樣改變，暴露時間越長，肺纖維化程度越重[4-5]。可見沙塵暴具有一定的致肺纖維化能力，但其致肺纖維化的機制尚不明確。本研究擬觀察大鼠暴露于沙塵氣溶膠環境中對肺組織腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）、轉化生長因子-β1（transforming growth factor-β1，TGF-β1）及部分膠原蛋白有無影響及影響程度，初步探討 PM 致肺纖維化的可能機制。
1 材料與方法
1.1 材料
儀器：掃描電鏡 JSM-6701F（日本電子株式會社）；Nano ZS 納米粒徑儀（英國馬爾文儀器有限公司）；總懸浮顆粒物濃度（total suspended particulate，TSP）自動測定儀（EPAM5000 型，美國 Hazdust 公司）。
試劑：TNF-α、MMP-2、MMP-9、TGF-β1、Ⅰ型膠原蛋白、Ⅲ型膠原蛋白的檢測試劑均購自上海豐翔試劑公司。
1.2 方法
1.2.1 沙塵樣品的采集及沙塵暴濃度的測定
直接從西北亞高原沙塵暴源頭甘肅河西走廊及內蒙古阿拉善高原一帶收集沙塵沉積物，用掃描電鏡和納米粒度儀對沙塵樣品的微形貌及物質組成特征進行分析。本次沙塵樣品的體積百分含量峰值在 0.6～1.1 μm，這個直徑范圍內的顆粒約占 35%；透射電鏡下沙塵顆粒是由明顯的疏松多孔、大小不一的顆粒聚集組成的粗糙塊狀結構。樣品中 Si 含量較高，占 21.2%，Al、Ca、Fe、Mg、Mn 和 Na 元素含量約占 9.52%、9.01%、6.92%、2.42%、1.75% 和 0.73%。沙塵樣品物質組成特征與文獻報道基本一致[6-7]，完全符合模擬沙塵環境的樣品需求。
模擬沙塵暴環境的裝置為中國科學院沙漠與沙漠化重點實驗室和甘肅省人民醫院聯合研制的循環式沙塵模擬實驗風洞。風洞長 4 m，實驗段截面積 600 mm×600 mm，風速在 1～20 m/s 范圍內連續可調。實驗中將沙塵樣品從風洞入口經由底部的供塵裝置直接注入艙體內，在艙內循環氣流帶動下，沙塵粒子隨風飄動，形成穩定沙塵云。強沙塵暴時地面空氣的平均沙塵濃度為 9 000 μg/m3，暴露濃度的測定范圍 0.001～20.000 mg/m3，精度±0.003 mg/m3，氣體流量 1.0～5.0 L/min，實驗風速 8 m/s[8]。本實驗中測定的直徑≤2.5、5 μm 的沙塵顆粒物（PM2.5、PM5）濃度分別為 0.169 7、0.244 1 mg/m3。且本實驗操作 5 h 中監測沙塵暴風洞內沙塵氣溶膠 TSP 和 PM2.5 的濃度變化無顯著差異，其波動范圍和特點不會對暴露量產生明顯的影響。
1.2.2 實驗動物的分組及模型制備
選擇 6 周齡清潔級雄性 Wistar 大鼠 96 只，體質量（180±20）g，購自甘肅中醫藥大學實驗動物中心［合格證號：SYXK（甘）2015－0005］。上述大鼠用隨機數字表法分為三組，每組 32 只。實驗組每天暴露于風洞模擬的 TSP 為 9 000 μg/m3 沙塵暴環境中 5 h；處理對照組暴露于風速、濕度、溫度等環境與實驗組相同、但不含沙塵的環境中 5 h，以排除其他環境因素對實驗動物影響；未處理對照組置于風洞旁通風干燥恒溫的標準生存環境中（室溫 20～25 ℃，相對濕度 50%～70%）。按隨機數字表法將實驗組大鼠于不同天的放置位置做調整，使每只大鼠的總暴露水平相似；三組動物食水相同，實驗組和處理對照組實驗 5 h 之外的生活環境與未處理對照組相同。分別在第 30、60、90、120 d 每組隨機選取 8 只大鼠測量體重后處死。本研究得到甘肅省人民醫院醫學倫理委員會許可。
1.2.3 實驗指標的檢測
大鼠處死后，取右肺組織，勻漿，采用酶聯免疫吸附試驗法測定 TNF-α、MMP-2、MMP-9、TGF-β1、Ⅰ型膠原蛋白、Ⅲ型膠原蛋白的含量。取左下肺葉小塊組織作為標本，4% 中性甲醛液固定 24 h，石蠟包埋，4 μm 連續切片數張，行蘇木精–伊紅染色和 Masson 染色并觀察。
1.3 統計學方法
采用 SPSS19.0 統計軟件。呈正態分布的計量資料以均數±標準差（
±s）表示，各組間同時間點比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用 Bonferroni 檢驗。P<0.05 為差異有統計學意義。
2 結果
2.1 沙塵暴環境在不同實驗時間段對大鼠肺組織 TNF-α、MMP-2、MMP-9 的影響
由表 1 可見，未處理對照組與處理對照組各時間點大鼠 TNF-α、MMP-2 和 MMP-9 含量差異均無統計學意義（P>0.05）。從實驗第 30 d 開始，隨著實驗時間的延長，實驗組 TNF-α 的含量逐漸增加，與對照組相比差異均有統計學意義（F 值分別為 67.638、29.519、41.102、92.75，P<0.05）；實驗組 MMP-9 含量除第 120 d 外，在各實驗時間點均高于對照組，差異有統計學意義（F 值分別為 4.960、18.128、65.767，P<0.05）；MMP-2 含量在實驗第 60、90 d 高于對照組，與對照組相比有顯著差異（F 值分別為 5.468、4.950，P<0.05）。
表1
不同時間點各組大鼠肺組織 TNF-α、MMP-2、MMP-9 水平比較（
）
2.2 沙塵暴環境在不同實驗時間段對大鼠肺組織 TGF-β1、Ⅰ型膠原蛋白、Ⅲ型膠原蛋白的影響
由表 2 可見，未處理對照組與處理對照組各時間點大鼠 TGF-β1、Ⅰ型膠原蛋白、Ⅲ型膠原蛋白含量差異均無統計學意義（P>0.05）。實驗組 TGF-β1 的含量在各時間點高于對照組，差異均有統計學意義（F值分別為 24.417、4.908、5.013、17.045，P<0.05）。實驗組肺Ⅰ型膠原蛋白含量在第 30 d 時低于對照組，與對照組相比有統計學意義（F 值為 6.227，P<0.05）；Ⅰ型膠原蛋白在實驗第 60、90、120 d 含量高于對照組，差異有統計學意義（F 值分別為 31.349、22.272、185.338，P<0.05）；Ⅲ型膠原蛋白在實驗 60、90、120 d 均高于對照組，差異有統計學意義（F 值分別為 31.806、36.255、54.07，P<0.05）。
表2
不同時間點各組大鼠肺組織 TGF-β1、Ⅰ型膠原蛋白、Ⅲ型膠原蛋白水平比較（
）
2.3 沙塵暴環境在不同實驗時間段各組大鼠肺組織病理學觀察結果
肺組織切片經蘇木精–伊紅染色和 Masson 染色，光學顯微鏡下觀察可見處理對照組大鼠肺內無炎性細胞浸潤，無肺泡間隔增厚（圖 1a、圖 2a）；實驗組大鼠暴露于沙塵暴環境下第 30、90 d 肺組織經蘇木精–伊紅和 Masson 染色，在光學顯微鏡下可見肺組織呈肺泡炎、肺纖維化和膠原沉積改變，并隨實驗時間增長而加重（圖 1b、c 和圖 2b、c）。
圖1
肺組織病理像（蘇木精–伊紅×200）
a. 處理對照組 30 d；b. 實驗組第 30 d；c. 實驗組第 90 d
圖2
肺組織病理像（Masson×200）
a. 處理對照組 30 d；b. 實驗組第 30 d；c. 實驗組第 90 d
3 討論
1952 年，Policard 等[9]首次報道在撒哈拉大沙漠居民發現 3 例沙漠塵肺病例。沙漠塵肺是由于吸入過量的沙塵而引起的以肺組織纖維化為主的疾病，也是沙塵慢性損傷的嚴重后果。沙漠塵肺的發病率國內外報道不一，大約為 0.53%～45.2%[10]。我們前期的研究發現，大鼠暴露于沙塵暴環境一定時間引起肺間質纖維化樣改變，其病理特征為肺部炎癥引起肺泡損傷，以及細胞外基質（extracellular matrix，ECM）損壞、修復、重建、沉積。肺纖維化的發生機制包括反復出現的肺部炎癥反應和氧化應激等，但其確切的機制尚未闡明。
TNF-α 主要由激活的肺泡巨噬細胞產生和分泌的具有多種生物活性的細胞因子，與肺泡炎、肺纖維化有關。MMP 由結締組織分泌，MMP-9 和 MMP-2 是 MMP 中降解肺泡Ⅳ型膠原最主要的酶，通過降解 ECM 參與結締組織的降解、重塑、炎癥反應等過程[11]。TGF-β1 是目前反映肺纖維化與嚴重程度的重要的致纖維化因子[12-13]。研究表明，沙塵暴中 PM2.5 能對肺泡巨噬細胞的吞噬功能造成損傷，并誘導巨噬細胞分泌啟動細胞因子網絡的 TNF-α。TNF-α 通過激活神經酰胺信號通路，使 MMP 基因轉錄增強，MMP 的表達增強。過量的 MMP 通過溶解破壞肺內 ECM 及基底膜，使肺損傷加重，促使更多的炎性介質激活、釋放，如核轉錄因子-κB、TGF-β、白細胞介素（interleukin，IL）-6 等。這些因子促進 MMP 的活化與合成，而 MMP-9 能夠激活 TGF-β1[14]。TGF-β1 主要作用于膠原的轉錄和翻譯過程，它可刺激肺成纖維細胞增殖，促進 ECM 的形成和沉積。膠原蛋白是構成 ECM 的成分之一，Ⅰ型、Ⅲ型膠原蛋白為肺內主要的間質型膠原蛋白，占肺干重的 1/5。各種原因引起的肺纖維化最終均導致 ECM 的合成增加，或降解減少，或二者皆備，進而形成肺纖維化。
本研究結果發現，實驗組大鼠肺組織在各實驗點 TNF-α 含量明顯高于對照組，并隨時間延長呈增高趨勢。提示大鼠暴露于沙塵暴環境后，沙漠塵可能誘發大鼠巨噬細胞產生并釋放 TNF-α，TNF-α 參與一系列炎癥級聯反應，并促進成纖維細胞增殖，誘導肌成纖維細胞合成Ⅰ型和Ⅲ型前膠原增加[15]，分泌大量膠原，從而在肺纖維化過程中發揮作用。實驗組大鼠 MMP-2、MMP-9 含量在實驗早期就已升高，60 d 時最高，90 d 后降低。這說明暴露于沙塵暴環境 60 d 時 MMP-2、MMP-9 活性最高，大量 ECM 被破壞，肺組織表現為炎癥反應。而隨著暴露時間的延長，MMP-2、MMP-9 含量逐漸下降，對肺組織正常的修復和膠原降解能力下降，肺組織表現為纖維化，這與我們前期的研究相符合[4-5]，也與部分文獻報道相符[16-17]。對于 TGF-β1 在實驗早期升高，考慮與活化的 TGF-β1 趨化巨噬細胞、中性粒細胞等，并分泌相關的細胞因子，如 IL-1、血小板生長因子、TNF-α 和 TGF-β1 等，通過上述細胞因子來調節炎癥和纖維化過程有關[18-19]；在實驗中、后期 TGF-β1 升高，考慮 TGF-β1 與其受體結合，可產生磷酸化的 Smad2/3，磷酸化 Smad2/3 與 Smad4 形成異源寡聚體，轉移到核內。p-Smad2-Smad3-Smad4 共聚物通過其他轉錄因子或直接結合靶基因啟動子，啟動 TGF-β1 靶基因的轉錄[20-21]，從而上調膠原基因表達及抑制 MMP 的表達，促進基質金屬蛋白酶組織抑制因子的生成[22]，從而產生過多的膠原和 ECM 及抑制膠原降解，因此 TGF-β1 在肺間質纖維化中起重要作用。膠原是主要的 ECM 成分。在本研究中實驗組Ⅰ型膠原蛋白含量在第 30 d 時低于對照組，此后Ⅰ型、Ⅲ型膠原含量逐漸升高，與對照組相比差異顯著，這與陳雅萍等[23]用博來霉素誘導大鼠肺間質纖維化模型的研究結果相似。這說明實驗早期暴露在沙塵暴中的某些顆粒物對大鼠肺組織產生了急性毒作用，使各細胞因子及與炎性細胞之間相互作用，形成復雜的細胞因子網絡，造成肺泡炎和肺損傷。實驗中、晚期由于持續肺損傷進一步導致炎癥細胞釋放 TNF-α、TGF-β1、IL-8、IL-17 等細胞因子，激活成纖維細胞，使其顯示出增強的增殖、分裂能力，分泌大量的Ⅰ型、Ⅲ型膠原蛋白和 ECM，最終導致肺纖維化[24]。在本研究中，我們采用酶聯免疫吸附試驗法檢測了肺組織勻漿中的膠原蛋白含量，在后續研究中將采用蛋白印跡法進一步探討膠原蛋白在肺組織中的表達及功能。
綜上所述，大鼠暴露于一定濃度和時間的沙塵暴環境中，其肺組織出現炎癥免疫過程，造成肺損傷，并刺激成纖維細胞增殖，促進肺間質膠原沉積；并隨暴露時間的延長，肺間質膠原含量增加，肺纖維化程度加重。因此，TNF-α、MMP-2、MMP-9、TGF-β1 等致纖維化因子可能均參與和誘導了沙塵暴致肺纖維化的過程，但具體的分子機制有待進一步深入研究。
利益沖突：本研究不涉及任何利益沖突。
近年來，土地沙漠化成為全球最重要的生態環境問題之一。土地沙漠化會造成沙塵天氣頻繁發生。我國甘肅河西走廊到內蒙古中西部、寧夏干旱地等是受沙塵暴影響最嚴重的地區。沙塵天氣，尤其是沙塵暴發生時，大氣中不同粒徑顆粒物（particle matter，PM）濃度明顯升高[1]。PM 在轉移和傳輸過程中可吸附有害氣體、重金屬元素、有機污染物以及病毒、細菌等物質，尤其是其中的細顆粒物 PM2.5 可吸入呼吸道深處，影響肺泡巨噬細胞的吞噬能力，并誘發炎癥免疫反應，引起呼吸、心血管、內分泌等系統一系列病變[2-3]。我們前期的研究通過模擬沙塵暴真實環境，發現暴露于一定時間的沙塵暴環境能夠引起大鼠肺間質發生纖維化樣改變，暴露時間越長，肺纖維化程度越重[4-5]。可見沙塵暴具有一定的致肺纖維化能力，但其致肺纖維化的機制尚不明確。本研究擬觀察大鼠暴露于沙塵氣溶膠環境中對肺組織腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）、轉化生長因子-β1（transforming growth factor-β1，TGF-β1）及部分膠原蛋白有無影響及影響程度，初步探討 PM 致肺纖維化的可能機制。
1 材料與方法
1.1 材料
儀器：掃描電鏡 JSM-6701F（日本電子株式會社）；Nano ZS 納米粒徑儀（英國馬爾文儀器有限公司）；總懸浮顆粒物濃度（total suspended particulate，TSP）自動測定儀（EPAM5000 型，美國 Hazdust 公司）。
試劑：TNF-α、MMP-2、MMP-9、TGF-β1、Ⅰ型膠原蛋白、Ⅲ型膠原蛋白的檢測試劑均購自上海豐翔試劑公司。
1.2 方法
1.2.1 沙塵樣品的采集及沙塵暴濃度的測定
直接從西北亞高原沙塵暴源頭甘肅河西走廊及內蒙古阿拉善高原一帶收集沙塵沉積物，用掃描電鏡和納米粒度儀對沙塵樣品的微形貌及物質組成特征進行分析。本次沙塵樣品的體積百分含量峰值在 0.6～1.1 μm，這個直徑范圍內的顆粒約占 35%；透射電鏡下沙塵顆粒是由明顯的疏松多孔、大小不一的顆粒聚集組成的粗糙塊狀結構。樣品中 Si 含量較高，占 21.2%，Al、Ca、Fe、Mg、Mn 和 Na 元素含量約占 9.52%、9.01%、6.92%、2.42%、1.75% 和 0.73%。沙塵樣品物質組成特征與文獻報道基本一致[6-7]，完全符合模擬沙塵環境的樣品需求。
模擬沙塵暴環境的裝置為中國科學院沙漠與沙漠化重點實驗室和甘肅省人民醫院聯合研制的循環式沙塵模擬實驗風洞。風洞長 4 m，實驗段截面積 600 mm×600 mm，風速在 1～20 m/s 范圍內連續可調。實驗中將沙塵樣品從風洞入口經由底部的供塵裝置直接注入艙體內，在艙內循環氣流帶動下，沙塵粒子隨風飄動，形成穩定沙塵云。強沙塵暴時地面空氣的平均沙塵濃度為 9 000 μg/m3，暴露濃度的測定范圍 0.001～20.000 mg/m3，精度±0.003 mg/m3，氣體流量 1.0～5.0 L/min，實驗風速 8 m/s[8]。本實驗中測定的直徑≤2.5、5 μm 的沙塵顆粒物（PM2.5、PM5）濃度分別為 0.169 7、0.244 1 mg/m3。且本實驗操作 5 h 中監測沙塵暴風洞內沙塵氣溶膠 TSP 和 PM2.5 的濃度變化無顯著差異，其波動范圍和特點不會對暴露量產生明顯的影響。
1.2.2 實驗動物的分組及模型制備
選擇 6 周齡清潔級雄性 Wistar 大鼠 96 只，體質量（180±20）g，購自甘肅中醫藥大學實驗動物中心［合格證號：SYXK（甘）2015－0005］。上述大鼠用隨機數字表法分為三組，每組 32 只。實驗組每天暴露于風洞模擬的 TSP 為 9 000 μg/m3 沙塵暴環境中 5 h；處理對照組暴露于風速、濕度、溫度等環境與實驗組相同、但不含沙塵的環境中 5 h，以排除其他環境因素對實驗動物影響；未處理對照組置于風洞旁通風干燥恒溫的標準生存環境中（室溫 20～25 ℃，相對濕度 50%～70%）。按隨機數字表法將實驗組大鼠于不同天的放置位置做調整，使每只大鼠的總暴露水平相似；三組動物食水相同，實驗組和處理對照組實驗 5 h 之外的生活環境與未處理對照組相同。分別在第 30、60、90、120 d 每組隨機選取 8 只大鼠測量體重后處死。本研究得到甘肅省人民醫院醫學倫理委員會許可。
1.2.3 實驗指標的檢測
大鼠處死后，取右肺組織，勻漿，采用酶聯免疫吸附試驗法測定 TNF-α、MMP-2、MMP-9、TGF-β1、Ⅰ型膠原蛋白、Ⅲ型膠原蛋白的含量。取左下肺葉小塊組織作為標本，4% 中性甲醛液固定 24 h，石蠟包埋，4 μm 連續切片數張，行蘇木精–伊紅染色和 Masson 染色并觀察。
1.3 統計學方法
采用 SPSS19.0 統計軟件。呈正態分布的計量資料以均數±標準差（±s）表示，各組間同時間點比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用 Bonferroni 檢驗。P<0.05 為差異有統計學意義。
2 結果
2.1 沙塵暴環境在不同實驗時間段對大鼠肺組織 TNF-α、MMP-2、MMP-9 的影響
由表 1 可見，未處理對照組與處理對照組各時間點大鼠 TNF-α、MMP-2 和 MMP-9 含量差異均無統計學意義（P>0.05）。從實驗第 30 d 開始，隨著實驗時間的延長，實驗組 TNF-α 的含量逐漸增加，與對照組相比差異均有統計學意義（F 值分別為 67.638、29.519、41.102、92.75，P<0.05）；實驗組 MMP-9 含量除第 120 d 外，在各實驗時間點均高于對照組，差異有統計學意義（F 值分別為 4.960、18.128、65.767，P<0.05）；MMP-2 含量在實驗第 60、90 d 高于對照組，與對照組相比有顯著差異（F 值分別為 5.468、4.950，P<0.05）。
表1
不同時間點各組大鼠肺組織 TNF-α、MMP-2、MMP-9 水平比較（）
2.2 沙塵暴環境在不同實驗時間段對大鼠肺組織 TGF-β1、Ⅰ型膠原蛋白、Ⅲ型膠原蛋白的影響
由表 2 可見，未處理對照組與處理對照組各時間點大鼠 TGF-β1、Ⅰ型膠原蛋白、Ⅲ型膠原蛋白含量差異均無統計學意義（P>0.05）。實驗組 TGF-β1 的含量在各時間點高于對照組，差異均有統計學意義（F值分別為 24.417、4.908、5.013、17.045，P<0.05）。實驗組肺Ⅰ型膠原蛋白含量在第 30 d 時低于對照組，與對照組相比有統計學意義（F 值為 6.227，P<0.05）；Ⅰ型膠原蛋白在實驗第 60、90、120 d 含量高于對照組，差異有統計學意義（F 值分別為 31.349、22.272、185.338，P<0.05）；Ⅲ型膠原蛋白在實驗 60、90、120 d 均高于對照組，差異有統計學意義（F 值分別為 31.806、36.255、54.07，P<0.05）。
表2
不同時間點各組大鼠肺組織 TGF-β1、Ⅰ型膠原蛋白、Ⅲ型膠原蛋白水平比較（）
2.3 沙塵暴環境在不同實驗時間段各組大鼠肺組織病理學觀察結果
肺組織切片經蘇木精–伊紅染色和 Masson 染色，光學顯微鏡下觀察可見處理對照組大鼠肺內無炎性細胞浸潤，無肺泡間隔增厚（圖 1a、圖 2a）；實驗組大鼠暴露于沙塵暴環境下第 30、90 d 肺組織經蘇木精–伊紅和 Masson 染色，在光學顯微鏡下可見肺組織呈肺泡炎、肺纖維化和膠原沉積改變，并隨實驗時間增長而加重（圖 1b、c 和圖 2b、c）。
圖1
肺組織病理像（蘇木精–伊紅×200）
a. 處理對照組 30 d；b. 實驗組第 30 d；c. 實驗組第 90 d
圖2
肺組織病理像（Masson×200）
a. 處理對照組 30 d；b. 實驗組第 30 d；c. 實驗組第 90 d
3 討論
1952 年，Policard 等[9]首次報道在撒哈拉大沙漠居民發現 3 例沙漠塵肺病例。沙漠塵肺是由于吸入過量的沙塵而引起的以肺組織纖維化為主的疾病，也是沙塵慢性損傷的嚴重后果。沙漠塵肺的發病率國內外報道不一，大約為 0.53%～45.2%[10]。我們前期的研究發現，大鼠暴露于沙塵暴環境一定時間引起肺間質纖維化樣改變，其病理特征為肺部炎癥引起肺泡損傷，以及細胞外基質（extracellular matrix，ECM）損壞、修復、重建、沉積。肺纖維化的發生機制包括反復出現的肺部炎癥反應和氧化應激等，但其確切的機制尚未闡明。
TNF-α 主要由激活的肺泡巨噬細胞產生和分泌的具有多種生物活性的細胞因子，與肺泡炎、肺纖維化有關。MMP 由結締組織分泌，MMP-9 和 MMP-2 是 MMP 中降解肺泡Ⅳ型膠原最主要的酶，通過降解 ECM 參與結締組織的降解、重塑、炎癥反應等過程[11]。TGF-β1 是目前反映肺纖維化與嚴重程度的重要的致纖維化因子[12-13]。研究表明，沙塵暴中 PM2.5 能對肺泡巨噬細胞的吞噬功能造成損傷，并誘導巨噬細胞分泌啟動細胞因子網絡的 TNF-α。TNF-α 通過激活神經酰胺信號通路，使 MMP 基因轉錄增強，MMP 的表達增強。過量的 MMP 通過溶解破壞肺內 ECM 及基底膜，使肺損傷加重，促使更多的炎性介質激活、釋放，如核轉錄因子-κB、TGF-β、白細胞介素（interleukin，IL）-6 等。這些因子促進 MMP 的活化與合成，而 MMP-9 能夠激活 TGF-β1[14]。TGF-β1 主要作用于膠原的轉錄和翻譯過程，它可刺激肺成纖維細胞增殖，促進 ECM 的形成和沉積。膠原蛋白是構成 ECM 的成分之一，Ⅰ型、Ⅲ型膠原蛋白為肺內主要的間質型膠原蛋白，占肺干重的 1/5。各種原因引起的肺纖維化最終均導致 ECM 的合成增加，或降解減少，或二者皆備，進而形成肺纖維化。
本研究結果發現，實驗組大鼠肺組織在各實驗點 TNF-α 含量明顯高于對照組，并隨時間延長呈增高趨勢。提示大鼠暴露于沙塵暴環境后，沙漠塵可能誘發大鼠巨噬細胞產生并釋放 TNF-α，TNF-α 參與一系列炎癥級聯反應，并促進成纖維細胞增殖，誘導肌成纖維細胞合成Ⅰ型和Ⅲ型前膠原增加[15]，分泌大量膠原，從而在肺纖維化過程中發揮作用。實驗組大鼠 MMP-2、MMP-9 含量在實驗早期就已升高，60 d 時最高，90 d 后降低。這說明暴露于沙塵暴環境 60 d 時 MMP-2、MMP-9 活性最高，大量 ECM 被破壞，肺組織表現為炎癥反應。而隨著暴露時間的延長，MMP-2、MMP-9 含量逐漸下降，對肺組織正常的修復和膠原降解能力下降，肺組織表現為纖維化，這與我們前期的研究相符合[4-5]，也與部分文獻報道相符[16-17]。對于 TGF-β1 在實驗早期升高，考慮與活化的 TGF-β1 趨化巨噬細胞、中性粒細胞等，并分泌相關的細胞因子，如 IL-1、血小板生長因子、TNF-α 和 TGF-β1 等，通過上述細胞因子來調節炎癥和纖維化過程有關[18-19]；在實驗中、后期 TGF-β1 升高，考慮 TGF-β1 與其受體結合，可產生磷酸化的 Smad2/3，磷酸化 Smad2/3 與 Smad4 形成異源寡聚體，轉移到核內。p-Smad2-Smad3-Smad4 共聚物通過其他轉錄因子或直接結合靶基因啟動子，啟動 TGF-β1 靶基因的轉錄[20-21]，從而上調膠原基因表達及抑制 MMP 的表達，促進基質金屬蛋白酶組織抑制因子的生成[22]，從而產生過多的膠原和 ECM 及抑制膠原降解，因此 TGF-β1 在肺間質纖維化中起重要作用。膠原是主要的 ECM 成分。在本研究中實驗組Ⅰ型膠原蛋白含量在第 30 d 時低于對照組，此后Ⅰ型、Ⅲ型膠原含量逐漸升高，與對照組相比差異顯著，這與陳雅萍等[23]用博來霉素誘導大鼠肺間質纖維化模型的研究結果相似。這說明實驗早期暴露在沙塵暴中的某些顆粒物對大鼠肺組織產生了急性毒作用，使各細胞因子及與炎性細胞之間相互作用，形成復雜的細胞因子網絡，造成肺泡炎和肺損傷。實驗中、晚期由于持續肺損傷進一步導致炎癥細胞釋放 TNF-α、TGF-β1、IL-8、IL-17 等細胞因子，激活成纖維細胞，使其顯示出增強的增殖、分裂能力，分泌大量的Ⅰ型、Ⅲ型膠原蛋白和 ECM，最終導致肺纖維化[24]。在本研究中，我們采用酶聯免疫吸附試驗法檢測了肺組織勻漿中的膠原蛋白含量，在后續研究中將采用蛋白印跡法進一步探討膠原蛋白在肺組織中的表達及功能。
綜上所述，大鼠暴露于一定濃度和時間的沙塵暴環境中，其肺組織出現炎癥免疫過程，造成肺損傷，并刺激成纖維細胞增殖，促進肺間質膠原沉積；并隨暴露時間的延長，肺間質膠原含量增加，肺纖維化程度加重。因此，TNF-α、MMP-2、MMP-9、TGF-β1 等致纖維化因子可能均參與和誘導了沙塵暴致肺纖維化的過程，但具體的分子機制有待進一步深入研究。
利益沖突：本研究不涉及任何利益沖突。
