吸入含碳细颗粒物对肺纤维化发生的影响及其机制研究

Particulate matter 2.5 (PM2.5) is the most important factor of air pollution in China, and 40% PM2.5 is carbon containing particulate matter. Researches revealed that inhaled carbon dust that reaches the alveoli in guinea pig lungs is ingested by macrophages which move through the parenchyma of the lung toward the pleura. Idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) is a chronic progressive lung disease of unknown cause that typically leads to respiratory failure and death within 3-5 years of diagnosis. The pathological feature of IPF includes fibroproliferative foci, depositions of extracellular matrix including collagen and alveolar collapse. Interestingly, these histopathological alterations are predominantly located in subpleural areas. The cause for the subpleural distribution of fibrotic plague in IPF is not known. Notably, the subpleural area is the destination of inhaled carbon dust. Thus, it is addressed here what the relationship between PM2.5 and IPF. In our preliminary experiments, we found inhaled carbon particle moved to the subpleural area, aggravated and accelerated the process of pulmonary fibrosis. We made hypothesis that inhaled carbon containing PM2.5 moved to subpleural area and induced fibrosis combining with other fibrotic factors. In the current project, we plan to use carbon particle, PM2.5, cell models, animal models including calpain knockout mice, and perform a series of experiments. The aim of this project is to confirm the role of carbon containing PM2.5 in subpleural fibrosis. We desire to find new mechanism of IPF and new target for treatment in pulmonary fibrosis.

目前我国大气污染中危害最严重的是细颗粒物(PM2.5)，PM2.5中含碳物质所占比例可高达40%。已经有研究提示碳末颗粒吸入肺内后，迁移至临近胸膜的区域(胸膜下区)。特发性肺纤维化(IPF)病因不清、机制不明，病人多在明确诊断后3-5年内死亡，亟待寻找有效的防治措施。巧合的是，IPF的纤维化病变主要表现在胸膜下区，因此，研究PM2.5与IPF的关系成为不可回避的课题。我们的预实验提示，气管内滴注碳末颗粒后，碳末颗粒在胸膜下区集聚并加剧、加速博莱霉素诱导的肺纤维化的发生。鉴于此，本项目拟利用碳末颗粒、大气中采集的PM2.5，利用细胞模型、动物模型(含基因敲除鼠模型)等展开研究，以证实“吸入的含碳细颗粒物进入肺内后，在趋化作用下向胸膜方向迁移，与其他有害因素共同作用，导致胸膜下肺纤维化的发生”的假说。项目的开展能为IPF的发生机制提供新的解释，并为防治PM2.5导致的肺损伤提供新的干预靶点。

细颗粒物(PM2.5)是目前我国大气污染物中危害最严重的成分，PM2.5中含碳物质所占比例可高达40%。碳末颗粒吸入肺内后分布于胸膜下区，特发性肺纤维化(IPF)的主要表现为胸膜下纤维化，因此，我们提出假设“吸入的含碳细颗粒物进入肺内后，在趋化作用下向胸膜方向迁移，与其他有害因素共同作用，导致胸膜下肺纤维化的发生”的假说。我们既定的研究计划是：1.含碳细颗粒物在肺内的迁移机制尤其向胸膜方向迁移的机制研究；2. 含碳细颗粒物吸入后与其他有害因子尤其促纤维化因子的共同作用及其致纤维化机制；3.Calpain在含碳细颗粒物促进肺纤维化发生中的作用，及探索其作为治疗靶点的可能性。主要研究结果：1. 碳粉吸入加重博莱霉素引起的肺纤维化，可见肺组织、支气管壁、脾脏以及其它器官碳粉分布，并可见胸膜下的巨噬细胞聚集；2. 博莱霉素加碳粉促进肺内细胞的促纤维化功能：博莱霉素加碳粉促进肺成纤维细胞的collagen-I 表达，以及促进肺泡巨噬细胞的迁移，胸膜间皮细胞对肺泡巨噬细胞的迁移具有趋化作用，碳粉还可促进肺泡巨噬细胞的吞噬功能；3. PM2.5 雾化吸入加重博莱霉素引起的小鼠肺纤维化，PM2.5吸入后可见肺组织、脾脏和肝脏分布，肺组织中趋化因子CCL2及其受体CCR2的胸膜下表达增加；4.PM2.5促进肺内细胞的促纤维化功能：PM2.5促进肺成纤维细胞和胸膜间皮细胞collagen-I表达，博莱霉素加PM2.5促进肺泡巨噬细胞 TGF-β1表达和迁移，胸膜间皮细胞对博莱霉素加PM2.5引起的肺泡巨噬细胞的迁移具有趋化作用。总之，我们分别用碳粉和PM2.5进行了细胞和动物实验，发现碳粉和PM2.5均可加重博莱霉素引起的小鼠肺纤维化，PM2.5的胸膜纤维化更重；碳粉和PM2.5可促进肺内细胞的促纤维化作用，促进肺泡巨噬细胞的胸膜下迁移，胸膜间皮细胞对其具有趋化作用。结果阐述了含碳细颗粒物吸入加重肺纤维化的机制，尤其解释了其加重胸膜下和胸膜纤维化的机制，对深入了解含碳细颗粒物加重肺纤维化的机制及其防治具有重要意义。