香煙煙霧對慢性阻塞性肺疾病大鼠肺功能及血清細胞因子水平影響

熊 英, 張金娟, 李 玲, 陳 燕, 吳艷俊, 黃惠妍

(貴州醫(yī)科大學(xué)1. 機能實驗室(花溪區(qū)大學(xué)城), 貴陽550025; 2. 附屬醫(yī)院內(nèi)科, 貴陽550004)

香煙煙霧對慢性阻塞性肺疾病大鼠肺功能及血清細胞因子水平影響

熊 英1, 張金娟1, 李 玲1, 陳 燕2, 吳艷俊1, 黃惠妍2

(貴州醫(yī)科大學(xué)1. 機能實驗室(花溪區(qū)大學(xué)城), 貴陽550025; 2. 附屬醫(yī)院內(nèi)科, 貴陽550004)

目的 探討被動吸煙聯(lián)合氣道內(nèi)注入脂多糖(LPS)法制備大鼠慢性阻塞性肺疾病(COPD)模型過程中, 大鼠肺功能及血清中細胞因子水平的變化。方法 72只雄性SD大鼠隨機均分為4周、6周、8周模型組，自然愈合3周、6周組和對照組。采用氣管內(nèi)兩次注入LPS聯(lián)合持續(xù)熏煙的方法建立COPD大鼠模型，動態(tài)監(jiān)測被動吸煙過程中及停止熏煙后，動物肺功能指標0.3 s用力呼氣容積(FEV0.3)及其與用力肺活量(FVC)比值(FEV0.3/FVC)的變化; 同時用酶聯(lián)免疫吸附方法檢測血清中白細胞介素8(IL-8)、白細胞介素10(IL-10)、腫瘤壞死因子α(TNF-α)含量，并進行相關(guān)分析。結(jié)果 與對照組比較, 各模型組 FEV0.3、FEV0.3/FVC、IL-10水平降低, IL-8、TNF-α水平升高(P均＜0.05); 且隨著熏煙時間延長細胞因子及肺功能指標變化更為顯著。模型組IL-8、TNF-α水平與FEV0.3/FVC呈負相關(guān)(P＜0.001, r=-0.579; P=0.034, r=-0.354)。與對照組比較, 自然愈合6周組IL-8、TNF-α水平下降(P均＜0.05), IL-10升高(P＜0.05)，各自然愈合組FEV0.3、FEV0.3/FVC均低于對照組(P均＜0.05)。結(jié)論 香煙煙霧刺激能顯著影響COPD大鼠體內(nèi)細胞因子水平。

慢性阻塞性肺疾病(COPD); 細胞因子; 動物模型; 香煙煙霧

隨著人口老齡化和環(huán)境污染加重，世界衛(wèi)生組織預(yù)計慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)導(dǎo)致的社會經(jīng)濟負擔將進一步增加[1]。吸煙和反復(fù)感染是人類COPD的重要發(fā)病因素[2]，被動吸煙復(fù)合氣道內(nèi)注入脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)法建立的COPD大鼠模型具有發(fā)病機制與人類相似、造模方法容易掌握的優(yōu)點, 是目前國內(nèi)研究者常用的動物模型。該模型具有造模時間短，4周即可建立COPD大鼠模型[3,4]的優(yōu)點，但亦存在實驗動物短時間內(nèi)需經(jīng)受多種刺激(煙熏、LPS、麻醉、氣管滴注機械損傷等)，以及熏煙的劑量較大的缺點。香煙煙霧對動物氣道的直接損害，以及機體對刺激的應(yīng)激反應(yīng)都會引起動物體內(nèi)細胞因子水平的改變。本實驗就香煙煙霧對COPD模型大鼠體內(nèi)細胞因子水平的影響進行了探討，以進一步明確該動物模型體內(nèi)細胞因子水平變化的意義。

1 材料與方法

1.1 實驗動物及飼養(yǎng)條件

72只清潔級雄性SD大鼠, 體質(zhì)量(200±20) g第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院實驗動物中心提供[SCXK(軍)2012-0011]。于貴州醫(yī)科大學(xué)實驗動物中心[SYXK(黔)2012-0001]適應(yīng)性飼養(yǎng)1周后用于實驗環(huán)境溫度18～25℃，通風(fēng)良好。

1.2 主要儀器與試劑

HX200插管式呼吸傳感器、BL-420S生物機能實驗系統(tǒng), 成都泰盟軟件有限公司; 酶標儀, 美國BioTek公司; 黃果樹(10 mg)過濾嘴香煙, 貴州中煙公司; 脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)(L2880-10 mg),索萊寶生物技術(shù)有限公司; 白細胞介素8(interleukin-8,IL-8)、IL-10、腫瘤壞死因子α(tumour necrosis factor-alpha, TNF-α)試劑盒, 上海滬鼎生物技術(shù)有限公司; 有機玻璃熏煙箱(50 cm×40 cm×20 cm)自制。

1.3 實驗方法

1.3.1 動物分組和造模方法 (1)動物分組： 計算機隨機分組法將72只SD大鼠分成對照組、4周、6周和8周模型組、自然愈合3周和6周組，每組12只。(2)造模方法： 采用氣管內(nèi)滴注脂多糖聯(lián)合持續(xù)熏煙的方法造模，于造模第1日和第14日，參照陳燕等[5]的方法將動物麻醉(質(zhì)量分數(shù)8%水合氯醛4.5 mL/kg，腹腔注射)后行直視下氣管插管術(shù)，除對照組注入等量生理鹽水外，其余各組大鼠氣道內(nèi)均注入質(zhì)量分數(shù)0.1%LPS溶液200 μL。從造模第2日起，除對照組外各組大鼠均予以被動吸煙，1 次 /日(參照前期的實驗方法[6]： 將 6 只大鼠放入有機玻璃熏煙箱內(nèi), 同時點燃2支香煙并置于箱內(nèi)兩對角的位置，待自行燃盡后立即更換, 每次熏煙共需燃盡8支香煙, 約45 min)。4周、6周和8周模型組分別連續(xù)熏煙28 d、42 d和 56 d; 自然愈合3周和6周組則連續(xù)熏煙56 d后停止熏煙，于造模前相同條件下分別飼養(yǎng)21 d和42 d。氣管內(nèi)滴注LPS當日不予熏煙，對照組術(shù)后不予熏煙。

1.3.2 病理學(xué)觀察 取大鼠左肺行病理學(xué)檢查。用7#留置針行頸動脈穿刺抽盡全血, 待動物死亡后迅速開胸取出雙側(cè)肺組織，生理鹽水沖洗表面, 取左肺用體積分數(shù)10%中性甲醛固定, 脫水, 石蠟包埋，切片, 蘇木素-伊紅(HE)染色, 光學(xué)顯微鏡下觀察。

1.4 指標檢測

各模型組于熏煙結(jié)束后次日將動物麻醉后先測定呼吸功能0.3 s用力呼氣容積(FEV0.3)及其與用力肺活量(FVC)比值(FEV0.3/FVC)，再行頸總動脈插管術(shù)收集全血、分離血清, 測定IL-8、IL-10和TNF-α的含量。對照組與4周模型組在同日進行檢測。自然愈合組分別于停止熏煙3周和6周后，用同樣方法檢測上述各項指標。

設(shè)小正方形的邊長為x(即為原題設(shè)條件中所折無蓋長方體形盒子的高h)，則盒底的邊長為a-2x，所折無蓋長方體形盒子的高也為x，因此，無蓋方盒的容積為：

1.4.1 肺功能測定 麻醉后行氣管切開插管術(shù)，將Y型插管的一端與呼吸傳感器連接, 并通過BL-4 20 s生物機能實驗系統(tǒng)監(jiān)測呼吸曲線，另一端接三通閥。在呼氣末打開三通閥并快速向氣管內(nèi)推入空氣6 mL(相當于被動深吸氣[7])，通過記錄到的呼吸曲線計算FEV0.3和FEV0.3/FVC。

1.4.2 細胞因子含量測定 用7#留置針行頸總動脈穿刺, 并用真空采血管(普通血清管)收集全血, 室溫下靜置20 min后離心(3 000 r/min, 20 min), 分離血清。用酶聯(lián)免疫吸附(ELISA)法測定細胞因子含量。

1.5 統(tǒng)計分析

用SPSS 17.0軟件進行統(tǒng)計分析，實驗數(shù)據(jù)以表示，多組間比較采用單因素方差分析(one-way ANOVA)，相關(guān)分析采用Pearson法，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 大鼠一般情況

造模過程中逐漸出現(xiàn)毛發(fā)微黃、體質(zhì)量減輕、精神萎靡、反應(yīng)遲鈍以及呼吸伴喘鳴音等癥狀。停止熏煙后上述癥狀均有所好轉(zhuǎn)、體質(zhì)量增加。

2.2 病理觀察結(jié)果

對照組大鼠支氣管周圍及間質(zhì)無明顯炎癥細胞浸潤，支氣管、終末細支氣管、肺泡無明顯破壞，肺泡壁完整(圖1A)。各模型組均出現(xiàn)肺泡壁變薄、肺泡腔擴大或肺泡壁破裂、融合形成肺大皰；支氣管黏膜壞死、脫落，伴淋巴細胞、漿細胞為主的炎癥細胞浸潤等(圖1B、C、D)，肺氣腫和支氣管炎癥的病理學(xué)改變，結(jié)合肺功能指標(FEV0.3，F(xiàn)EV0.3/FVC)下降說明造模成功。與模型組比較，自然愈合組炎癥細胞浸潤、肺泡擴張融合等現(xiàn)象均有不同程度的減輕(圖1E、F)，其中以6周組更為明顯。

2.3 肺功能測定

與對照組比較, 各模型組和自然愈合組FEV0.3、FEV0.3/FVC均顯著下降(P＜0.05)，各模型組之間比較，6周、8周模型組與4周模型組有統(tǒng)計學(xué)差異(P均＜0.05); 與8周模型組比較，各自然愈合組FEV0.3、FEV0.3/FVC升高(P均＜0.05)，且自然愈合6 周組較3 周組升高(P＜0.05)，(表1)。

2.4 細胞因子檢測

與對照組比較, 各模型組血清IL-8、TNF-α水平升高(P均＜0.05), IL-10水平下降(P＜0.05)。模型組間比較IL-8水平有統(tǒng)計學(xué)差異(P均＜0.05)。各自然愈合組與8周模型組比較, IL-8、TNF-α水平顯著下降(P均＜0.05), 而IL-10水平顯著升高(P＜0.05);自然愈合組組間比較上述細胞因子水平均有統(tǒng)計學(xué)差異(P＜0.05)。與對照組比較, 自然愈合6周組IL-8、TNF-α水平下降, IL-10 升高(P＜0.05)(表 1)。

2.5 相關(guān)性分析

將全部模型組血清IL-8、TNF-α、IL-10水平與FEV0.3/FVC作直線相關(guān)分析, 模型組IL-8、TNF-α水平與FEV0.3/FVC呈負相關(guān)(P＜0.000, r=-0.579 P=0.034相關(guān)系數(shù)r=-0.354); 而IL-10與FEV0.3FVC無線性相關(guān)(P=0.304)。同樣對全部自然愈合組的上述指標進行相關(guān)分析，IL-8與FEV0.3/FVC呈負相關(guān)(P=0.041, r=-0.420)。

圖1 各組大鼠肺組織HE染色(×100)Figure 1 HE staining of lung tissue in rats of each group

表 1 各組大鼠肺功能和細胞因子水平比較Table 1 The concentration of IL-8, IL-10, TNF-α and lung function in rats of each groups

3 討論

COPD是呼吸系統(tǒng)常見疾病，反復(fù)發(fā)作的肺部感染是導(dǎo)致疾病加重的重要因素。肺部炎癥會導(dǎo)致機體的全身炎癥反應(yīng)和炎癥細胞的異常活化，并釋放大量炎性相關(guān)細胞因子，細胞因子和炎癥細胞相互作用進一步放大炎癥效應(yīng)，并導(dǎo)致肺組織結(jié)構(gòu)的破壞。因此細胞因子水平變化和炎癥細胞活化是全身炎癥反應(yīng)的標志。動物模型是研究疾病發(fā)病機制和治療方法的基礎(chǔ)，但是由于COPD病因復(fù)雜且動物和人存在種屬差異，目前尚無公認的標準COPD動物模型制備方法。熏煙復(fù)合氣道內(nèi)注入LPS法最早由宋一平等[3]報道，該方法模擬了人類COPD的發(fā)病誘因，動物病理生理狀況與人類相似，被許多國內(nèi)學(xué)者采用。但是除了疾病導(dǎo)致的機體炎癥反應(yīng)外，大劑量煙霧刺激能夠通過氧化應(yīng)激直接損傷氣道上皮細胞，引起細胞因子水平的變化。因此，熏煙法建立的COPD動物模型用于細胞因子相關(guān)的實驗研究時，應(yīng)該充分考慮香煙煙霧對動物體內(nèi)細胞因子水平的直接影響。

本研究分別監(jiān)測了持續(xù)熏煙不同時間及停止熏煙后大鼠的肺功能和血清IL-8、IL-10和TNF-α的水平, 結(jié)果顯示, 造模4周后動物肺功能指標顯著下降，IL-8、TNF-α升高、IL-10下降(P均＜0.05)，結(jié)合病理檢查結(jié)果說明該動物模型成立，并且細胞因子在早期就有顯著改變。模型組之間比較顯示，隨著造模時間延長上述細胞因子水平變化更為顯著，且模型組IL-8、TNF-α水平與FEV0.3/FVC呈負相關(guān)，與國外文獻報道一致[8]。IL-8主要由肺泡巨噬細胞產(chǎn)生，是中性粒細胞重要的趨化因子。TNF-α是炎癥反應(yīng)的啟動因子，主要由活化的單核細胞和巨噬細胞分泌，其通過氣道慢性炎癥網(wǎng)絡(luò)，參與了COPD氣道重塑和阻塞進程[9]。IL-10是重要的抗炎因子, 研究認為IL-10的減少與COPD氣道炎癥的持續(xù)存在關(guān)系密切[10]。臨床研究認為，IL-8和TNF-α相互影響，共同參與了氣道炎癥反應(yīng)和氣道重塑過程, 導(dǎo)致患者肺功能下降[11,12]，本實驗的研究結(jié)果提示，模型組大鼠血清IL-8、TNF-α水平與FEV0.3/FEV0.3/FVC有負相關(guān)關(guān)系，且自然愈合組IL-8與FEV0.3/FEV0.3/FVC也呈負相關(guān)，提示這兩個因子一定程度上反映了該動物模型COPD的嚴重程度。

為了進一步探討該動物模型體內(nèi)細胞因子水平變化與煙霧刺激的關(guān)系, 監(jiān)測了停止熏煙3周和6周后大鼠肺功能和血清中上述因子的水平，結(jié)果顯示： 自然愈合組大鼠肺功能指標較8周模型組改善(P均＜0.05), 但與對照組比較, FEV0.3、FEV0.3/FVC降低(P均＜0.05); 與8周模型比較, 自然愈合組上述細胞因子水平呈顯著恢復(fù)趨勢; 自然愈合3周組細胞因子水平與對照組接近。提示香煙煙霧是引起細胞因子水平變化的因素之一，停止熏煙后因子水平的變化能在短時間內(nèi)恢復(fù)，但肺功能損傷不可逆。

被動吸煙復(fù)合氣道內(nèi)注入LPS法建立的COPD大鼠模型雖然具有發(fā)病機制與人類相似、建模所需時間短的優(yōu)點，且大鼠血清IL-8和TNF-α水平與肺功能下降有相關(guān)關(guān)系，但是短時間內(nèi)大劑量香煙煙霧刺激導(dǎo)致的呼吸道損傷，也是導(dǎo)致體內(nèi)部分細胞因子水平變化的重要因素，停止熏煙后血清細胞因子水平變化會在短時間內(nèi)恢復(fù)，與人類COPD的慢性呼吸道和全身炎癥反應(yīng)導(dǎo)致的細胞因子變化不完全相同，因此在采用這一動物模型進行細胞因子相關(guān)的實驗研究時應(yīng)充分考慮該因素的影響。

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Effects of Cigarette Smoke on Lung Function and Serum Cytokine Levels in Chronic Obstructive Pulmonary Disease Rat

XIONG Ying1, ZHANG Jin-juan1, LI Lin1, CHEN Yan2, WU Yan-jun1, HUANG Hui-yan2
(1. Department of Medical Funtcion of the Laboratory, Guizhou Medical University, Guiyang 550025, China;2. Department of Medicine,the Affiliated Hospital of Guizhou Medical University, Guiyang 550025, China)

Objective To investigate the influence of cigarette smoke on lung function and serum cytokine levels in chronic obstructive pulmonary disease (COPD) rats which were established by the complex stimulation of lipopolysaccharide (LPS) and smoked cigarettes. Methods Seventy-two male SD rats were randomly divided into six groups, 4 weeks, 6 weeks and 8 weeks model group, 3 weeks and 6 weeks natural healing group, and control group. A COPD rat model was established by the complex stimulation of two times LPS injection and smoked cigarettes. The lung function of the rats was measured during passive smoking and quit smoking. At the same time serum interleukin-8(IL-8), IL-10 and tumour necrosis factor-alpha (TNF-α) levels were monitored by Enzyme-linked immunosorbent assay. Correlation analysis concerning cytokine levels and pulmonary function index were conducted. Results Compared with control group, forced expiratory volume in 0.3 second (FEV0.3), forced expiratory volume in 0.3 second as a percentage of forced vital capacity (FEV0.3/FVC) and IL-10 were decreased (P＜0.05), IL-8 and TNF-α levels were increased in the model groups (P＜0.05). And as the building time prolonged, the changes of those cytokines and lung function indexes were more obvious than before. IL-8 and TNF-α levels were inversely associated with FEV0.3/FVC(P＜0.001, r=-0.579; P=0.034, r=-0.354). Compared with control group, IL-8 and TNF-α levels were decreased in the 6 weeks healing group, at the same time IL-10 levels was increased(P＜0.05), the FEV0.3and FEV0.3/FVC were decreased in the healing groups (P＜0.05). Conclusions Cigarette smoke is the primary cause of changes on cytokine levels in this animal model.

Chronic obstructive pulmonary disease (COPD); Cytokines; Animal model; Cigarette smoke

R332; R563; Q95-33

A

1674-5817(2017)04-0315-05

10.3969/j.issn.1674-5817.2017.04.012

2017-05-30

貴州省科學(xué)技術(shù)基金(黔科合LG字[2012]014號)

熊 英(1977-), 女, 講師, 碩士。主要研究方向： 機能實驗、藥理學(xué)。E-mail： xiongying1116@163.com

黃惠妍(1980-), 女, 臨床醫(yī)學(xué)碩士,E-mail： huanghuiyan8039@163.com