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目的:本研究采用单次气管滴注法染毒,观察单壁碳纳米管(Single-WalledCarbon Nanotubes,SWCNT)对大鼠肺脏的毒性作用,并从氧化性损伤、DNA损伤和细胞凋亡角度探讨SWCNT肺脏毒性可能的作用机制。
方法:60只雄性Wistar大鼠按体重随机分为5组:分别为碳黑对照组(5mg/kg)、SWCNT低剂量组(1mg/kg)、中剂量组(5mg/kg)、高剂量组(10mg/kg)和石英对照组(5mg/kg),采用单次气管滴注法染毒,观察试验动物的一般状态,每周称重一次;30天后处死动物,取肺脏、肝脏、肾脏、脾脏和睾丸称重,并计算各脏器脏体比;取大鼠肺脏进行组织病理学检测;制备肺脏组织匀浆,检测其中丙二醛(Malonaldehyde,MDA)含量、谷胱苷肽过氧化物酶(Glutathioneperoxidase,GSH-Px)和超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)活性;单细胞凝胶电泳试验检测肺脏细胞DNA的损伤;同时采用TUNEL法检测肺脏细胞凋亡情况,并应用Western blotting法检测肺脏凋亡相关蛋白caspase-3和Fas的表达水平。
结果:(1)肺脏气管滴注法操作后,各组动物出现精神萎靡和行动迟缓,属于非特异性症状,与SWCNT作用无关;(2)SWCNT可导致大鼠体重增长缓慢,肺/体比和脾/体比较碳黑对照组显著增加;(3)SWCNT可引起大鼠肺脏实变和肿大;肺脏组织形态学改变不同于一般的毒性粉尘,表现为非炎性上皮肉芽肿和明显间质纤维化;(4)SWCNT可致大鼠肺脏组织MDA含量升高,GSH-Px活力下降,与碳黑对照组比较具有统计学意义,且这种变化具有剂量依赖性,说明SWCNT可致肺脏产生氧化性损伤;(5)SWCNT可引起大鼠肺脏细胞DNA链发生断裂,DNA断裂细胞的尾DNA含量、尾矩和尾长较碳黑对照组显著增加,说明SWCNT可导致肺脏细胞发生DNA损伤;(6)TUNEL染色显示SWCNT可致肺脏细胞发生凋亡,caspase-3蛋白活性片段的表达与碳黑对照组比较明显增强,SWCNT还可引起Fas蛋白表达显著增加。
结论:SWCNT可导致大鼠体重增长缓慢,肺/体比值增加;可引起大鼠肺脏实变和肿大,肺脏组织形态学改变不同于一般的毒性粉尘,表现为非炎性上皮肉芽肿和明显间质纤维化;SWCNT可致肺脏组织发生氧化性损伤,肺脏细胞DNA损伤和肺脏细胞凋亡,其中细胞凋亡可由caspase-3和Fas/FasL途径介导。SWCNT引起大鼠肺脏纤维化可能的机制:(1)SWCNT可以通过氧化应激直接介导生物大分子损伤,或影响细胞内外微环境,影响细胞生长;(2)SWCNT可能通过产生自由基及脂质过氧化产物诱导DNA损伤,或直接引起DNA损伤致使大量细胞功能失调或死亡,启动体内修复系统导致肺脏纤维化的发生;(3)SWCNT可通过Fas/FasL途径诱导肺脏细胞凋亡,破坏肺脏正常的细胞结构,致使细胞间作用网络失衡、肺脏内正常构架紊乱、结构重组和细胞增生而组织实变,最终胶原沉积形成纤维化。