尘肺发病机制及标志物的研究

Study on Pathogenesis and Markers of Pneumoconiosis

摘要: 尘肺病是在职业活动中长期吸入不同致病性的生产性粉尘并在肺内潴留而引起的以肺组织弥漫性纤维化为主的一组职业性肺部疾病的统称。是中国最严重的职业病，尘肺患者由于长期接触矿物性粉尘，呼吸系统的清除和防御机制受到严重损害，加之尘肺病慢性、进行性的长期病程，患者的抵抗力明显降低，常常发生各种并发症/合并症，如呼吸系统感染、气胸、肺结核、慢性阻塞型肺疾病、慢性肺源性心脏病。由于评估程序复杂，需要训练有素的医务人员，诊断尘肺病是困难的，因为尘肺病需要的诊断方法远比临床诊断复杂得多。一旦患者被诊断出患有尘肺病，他们的病情通常已经非常严重且难以治疗。为了控制这种疾病，迫切需要在临床前阶段对其进行诊断，这将降低其发病率并最大限度地降低其在受影响工人中的严重程度。确定可行的诊断生物标志物或方法可协助医护人员在尘肺病患者出现可观察到的肺部影像学变化前，及时发现疑似尘肺病患者，有利于在对粉尘接触人群(高危人群)进行筛查时，早期发现疑似尘肺病患者，及时安排其脱离粉尘作业并及早治疗，改善其预后，具有重大的经济和社会效益。

Abstract: Pneumoconiosis is a group of occupational lung diseases mainly caused by diffuse fibrosis of lung tissue caused by long-term inhalation of productive dust of different pathogenicities and retention in the lungs during occupational activities. It is the most serious occupational disease in China, due to long-term exposure to mineral dust, the clearance and defense mechanism of the respiratory system is seriously impaired, coupled with the chronic, progressive long-term course of pneumoconiosis, the patient’s resistance is significantly reduced, and various complications/comorbidities often occur, such as respiratory infection, pneumothorax, tuberculosis, chronic obstructive pulmonary disease, and chronic cor pulmonale. Diagnosing pneumoconiosis is difficult due to the complexity of the evaluation procedure and the need for trained medical personnel, as pneumoconiosis requires a much more complex diagnostic approach than clinical diagnosis. Once a patient is diagnosed with pneumoconiosis, their condition is often already very severe and difficult to treat. In order to control this disease, there is an urgent need to diagnose it at the preclinical stage, which will reduce its incidence and minimize its severity among affected workers. The identification of feasible diagnostic biomarkers or methods can help medical staff to detect patients with suspected pneumoconiosis in time before observable lung imaging changes occur in patients with pneumoconiosis, which is conducive to the early detection of suspected pneumoconiosis patients when screening dust contact groups (high-risk groups), timely arrangement of them to be removed from dust operations and early treatment, and improving their prognosis, which has significant economic and social benefits.

1. 引言

尘肺是我国最主要的职业病，包括矽肺、煤工尘肺、石墨尘肺、炭黑尘肺、石棉肺、滑石尘肺、水泥尘肺、云母尘肺、陶工尘肺、铝尘肺、电焊工尘肺、铸工尘肺十二种。自2010年以来每年报告尘肺新发病例数均突破2万例[1]。截至2017年，我国累计报告职业病病例95万余例，其中尘肺85万余例，占比89.8%，主要是矽肺和煤工尘肺[2]。根据全球疾病负担(2015年)公布的资料显示，我国2015年死亡的尘肺病例估计为9538例(95%可信区间为8430~11,013例)，矽肺病例为6456 (5656~7533)例[3]。随着产业升级，尘肺在发达国家已经很少见了，但是在发展中国家仍然非常普遍。除已经诊断的87万尘肺病患者以外，我国还有大量的农民工尘肺病患者，近12年以来，平均每年新增确诊尘肺病人数超过2万例[4]。日益庞大的尘肺病患者群体，对人群健康水平提升造成了巨大的问题。

欠发达国家，特别是那些报告制度不足的国家，可能有许多患者尚未得到诊断和报告。这使得很难确定现有尘肺病病例的确切数量。此外，尘肺病的诊断可能导致工人失去工作，这意味着他们中的许多人不愿意接受体检，即使他们正在经历症状。这可能导致尘肺病患者无法及时被发现[5]。因此，尘肺病的发病率和死亡率可能比以前认为的要高。

2. 尘肺发病机制

矽肺和石棉肺的病理生理学是一种慢性肺部炎症(肺泡炎)并导致纤维化[6]。

尘肺的发病机制较为复杂，一般认为肺泡巨噬细胞在尘肺的发病机制中发挥了关键作用[6] [7]。吸入的二氧化硅到达肺泡后，硅颗粒或石棉纤维被肺泡巨噬细胞吞噬。巨噬细胞受损或激活，释放细胞毒性氧化剂或蛋白酶和炎症介质细胞因子，如肿瘤坏死因子(TNF)-α、白细胞介素(IL)-1和花生四烯酸代谢物，刺激炎症细胞招募到肺泡壁和肺泡上皮表面(引发肺泡炎) [8]。逸出的矽尘又可被其它的巨噬细胞吞噬，这种反复发生的细胞毒性作用的细胞死亡过程不断重复，使炎症在肺组织深部如呼吸性小细支气管、肺泡、小叶间隔、血管及支气管周围，以及胸膜下、淋巴组织内持续下去，逐渐形成粉尘灶，最终发展为尘细胞肉芽肿。当这些破坏不能完全修复时，则被胶原纤维所代替，导致肺组织纤维化[9]。在尘肺形成过程中，肺泡巨噬细胞受刺激后转录因子NF-κB活化[10]，释放的细胞因子1β (IL-1β)、细胞因子4 (IL-4)、肿瘤坏死因子α (TNF-α)、转化生长因子β (TGF-β)等细胞因子在肺纤维化形成过程中起重要作用[11] [12]。矽肺和煤工尘肺占尘肺病的绝大多数，矽肺是由于长期吸入游离二氧化硅粉尘(矽尘)引起的肺部弥漫性纤维化性病变为主的一种全身性疾病，其发生、发展主要与生产环境中粉尘浓度高低、该种粉尘中游离二氧化硅含量多少、劳动者暴露时间和防护情况有关。煤工尘肺是指煤矿各工种工人长期吸入生产环境中的粉尘所引起的尘肺的总称，长期吸入煤尘也可以引起肺组织纤维化，导致“煤肺”，且存在剂量–反应关系。

在相同的粉尘暴露情况下，有些人发病，有些人不发病，即使同为尘肺患者也会存在严重程度的差异，提示个体遗传特性在尘肺的发生、发展中，可能具有重要影响，目前已证明，肿瘤坏死因子(TNF)、转化生长因子(TGF)、白细胞介素(IL) [13]、血小板源性生长因子(PDGF) [14]-[17]、人类组织相容性抗原复合物(MHC)、谷胱甘肽S转移酶(GSTs)、血管紧张素转化酶(ACE)、基质金属蛋白酶(MMP-9)、纤维粘连蛋白[18]、热休克蛋白HSP70 [19] [20]等物质的基因多态性，都可能参与了尘肺病的发生、发展过程。

3. 尘肺病诊断标志物

我国尘肺病的诊断依据《职业性尘肺病的诊断》(GBZ 70)标准[21]。尘肺病的诊断原则是根据可靠的生产性矿物性粉尘接触史，以技术质量合格的X射线高千伏或数字Ｘ射线摄影(DR)后前位胸片表现为主要依据，结合工作场所职业卫生学、尘肺流行病学调查资料和职业健康监护资料，参考临床表现和实验室检查，排除其他类似肺部疾病后，对照尘肺病诊断标准片，方可诊断。诊断医师应严格按照诊断标准，根据Ｘ线胸片小阴影的总体密集度，小阴影分布的肺区范围，有无小阴影聚集、大阴影、胸膜斑等，将尘肺病诊断分为壹期、贰期和叁期。

由于影像学技术不能评估患者的功能状态，肺功能检查(PFT)被用作评估疾病的补充方法。PFT可用于评估呼吸困难，区分阻塞性疾病和限制性疾病，以及评估疾病严重程度[22]。尘肺病由于其潜伏期长、临床症状模糊等原因，很难与类似疾病区分开来。诊断依靠实验室检查，如支气管肺泡灌洗液(BALF)，以观察肺泡中的沉积物并排除类似的肺部疾病。

近年对尘肺早期生物标志物的寻找集中在微量元素、血清蛋白、氧化剂与抗氧化剂、细胞因子与凋亡相关因子等方面，但都受限于较低的敏感性和特异性，尚未得突破性进展[23]。

3.1. miRNA

目前发展的较成熟的生物标志物是血清特异性miRNA。miRNA已被证实与多种脏器的纤维化进程紧密相关[24] [25]，而且还具有形态稳定、可反复冻融的特点，是理想的生物标志物。有研究发现miRNA-155表达水平与小鼠肺组织纤维化程度正相关[26]。Sun等[27]的研究也发现小鼠肺纤维化模型中miR-21等多个miRNA表达异常。还有研究证实miR-149的多态性与尘肺易感性相关[28]。最新的临床研究发现，miR-21、miR-200c、miR-16、miR-204、miR-206、miR-29a及miR-155表达水平在尘肺患者和一般对照组间差异有统计学意义，且miR-21与病程进展正相关，miR-204与病程进展负相关[29]，期待这一方面的研究能早日应用于尘肺病的临床诊断。

根据研究证实，细胞因子网络失衡在尘肺发生与发展过程中具有关键作用[30]。目前，学术界集中研究的炎性细胞因子主要涉及白细胞介素(IL)、肿瘤坏死因子(TNF)以及各类趋化因子等；而在肺纤维化发病机制中，密切相关的细胞因子主要包括多种生长因子(GF)等。

3.2. 白细胞介素

白细胞介素1 (IL1)主要由单核巨噬细胞所合成与分泌，分为α和β两个亚型，尤其是IL-1β在免疫反应和组织修复过程中扮演着关键角色。作为免疫激活的关键因子，IL-1β能够升高其他炎症介质的表达水平，促进巨噬细胞、淋巴细胞等炎症相关细胞的聚集，推动细胞损伤的介导作用，并助力组织的修复进程。然而，过度的修复活动亦可能导致肺纤维化的发展[31]。通过二氧化硅诱发的体外实验模型研究表明，单核/巨噬细胞在早期暴露后，其释放的IL-1β水平出现明显升高[32]。IL-6是一类具备广泛生物活性的多肽类信号分子，它不仅能激发B细胞前体分化为浆细胞并产生抗体，而且能与其他介质协同，诱导激活状态的肺泡巨噬细胞，从而增强天然杀伤细胞的功能，并介导肺泡上皮细胞和血管内皮细胞的损伤。体外的相关研究成果显示，当人肺巨噬细胞暴露于煤尘颗粒时，可触发细胞上清液中IL-6含量的上升[33]。在对矽肺患者肺泡巨噬细胞进行分离并进行体外培养后，我们从上清液中检测出的白介素-8 (IL-8)的浓度显著超过了正常对照组，并且随着矽肺病程的逐渐加重，IL-8水平呈现出持续升高的趋势，这一发现提示我们IL-8可能在矽肺病理过程中的纤维化演变中扮演了关键角色[34]。同时，基于动物模型的实验研究也支持了IL-8在肺部纤维化形成与演进中所起的调控作用[35]。

3.3. 肿瘤坏死因子

肿瘤坏死因子(TNF)，分为α和β两种亚型，主要由单核-巨噬细胞系细胞分泌，是已知的炎症前介质。它通过募集并激活肺组织内的中性粒细胞、嗜酸性粒细胞以及单核细胞等多种免疫效应细胞，与其他炎性介质相互作用，共同促发肺泡炎症反应，并推动成纤维细胞增殖和纤维结构形成[36]。目前，对TNF-α的研究较为广泛，动物研究结果证实，在气溶胶染尘后大鼠肺组织中，TNF-α的水平会在早期显著上调，表明TNF-α在矽尘诱导的早期炎症反应中具有重要的调控作用[37]。根据人群流行病学调查结果显示，不论是慢性阻塞性肺疾病(CWP)组还是矽肺组，患者的血清中TNF-α水平均明显高于对照组，并且随着尘肺阶段的不同而逐渐增加。本研究推断，肺部炎症及纤维化现象恶化的成因可能主要源于粉尘微粒渗透至肺部并触发巨噬细胞的激活以及随后的吞噬作用。肺内粉尘微粒由于不能被及时排除，持续刺激巨噬细胞，进而引起TNF-α等细胞因子在肺组织中过量并持续的释放[38]。在这个过程中，TNF-α通过与其特定受体结合触发受体三聚体的形成，该过程通过激活Raf信号通路，促使MAPK系统工作，并催化核因子-κB的活化，从而调控其他炎症介质基因的表达。上述这一系列分子层面的相互作用和调节机制对肺炎症反应进程具有决定性的调控影响[39]。

3.4. 趋化因子

在探讨炎症反应的初始环节中，趋化因子的释放及激活对过程起着至关重要的作用。目前研究较多的趋化因子主要包括：单核细胞趋化蛋白-1 (MCP-1)及巨噬细胞炎性蛋白-1α (MIP-1α)。上述因子通过招募和激活广泛的单核/巨噬细胞、中性粒细胞等免疫细胞，汇聚于肺部炎症局部。该过程中，趋化因子不仅诱发氧自由基生成，胞内Ca2+浓度增加，溶酶体酶释放，还进一步上调细胞粘附分子与炎症介质的表达，形成一个复杂而多层次的细胞因子网络。这一级联放大机制，在调控机体的免疫应答、炎症响应，以及肺组织的损伤和纤维化过程中，起着关键的调节作用[40]。据研究显示，MCP-1和MIP-1α有能力促进致纤维化细胞因子的产生和释放，推动胶原基因表达并促使胶原的不正常合成和沉积[41]。

3.5. 致纤维化反应细胞因子

纤维化反应的演进与多类细胞因子密切相关。例如，转化生长因子(TGF)、血小板源性生长因子(PDGF)、胰岛素样生长因子(IGF)以及结缔组织生长因子(CTGF)等各种生长因子，均在纤维化进程中扮演重要角色。以TGF为例，相关文献研究揭示了其在多种组织及器官纤维化过程中的关键作用，具体包括肝纤维化、肺纤维化、肾纤维化以及皮肤纤维化等病理情境。TGF包括α、β亚型，在对转化生长因子β (TGF-β)功能的深入研究中发现，其在肺纤维化病理过程中扮演着举足轻重的角色。该因子可通过激活成纤维细胞增殖与分裂，进而促进胶原蛋白的合成，同时抑制胶原蛋白的分解，导致细胞外基质异常积累。相关研究资料表明，TGF-β在多种肺纤维化疾病中均有过量表达的现象[42]。尤其在肺纤维化早期，TGF-β通过自分泌和旁分泌的机制显著刺激成纤维细胞的增殖和细胞外基质的堆积。随着病变的进展，TGF-β的表达水平进一步增强。流行病学调查关于尘肺病(CWP)揭示，患者外周血清中TGF-β的表达水平与尘肺的发生发展有密切的关联，且与纤维化程度正相关，而与肺功能指标的变化呈现负相关性[43]。进一步研究指出，CWP患者外周血清中的白细胞介素10 (IL-10)含量明显升高，而IL-10作为TGF-β的一个上调因子，会增强TGF-β的表达并激发显著的纤维化效应[44]。在职业性接尘的人群和尘肺病患者中，外周血中TGF-β和肿瘤坏死因子α (TNF-α)水平的提高，提示这些细胞因子可能作为尘肺疾病监测的生物标志物，为临床提供早期诊断的参考依据[45]。

3.6. 氧自由基

近年来的研究[46]证实，自由基在SiO₂引起的肺纤维化方面起着关键性的作用。SOD是分布于各种生物体内重要的自由基清除剂，可对抗与阻断因氧自由基对细胞造成的损害，并及时修复受损细胞。MDA (丙二醛)为脂质过氧化物的代谢终产物，可反映体内的自由基水平。机体在生理状态下，氧化与抗氧化系统维持着动态均衡。然而，粉尘的刺激可能导致这种均衡的破坏。具体表现在，肺泡巨噬细胞在吞噬粉尘颗粒的过程中，会产生过量的活性氧(ROS)，导致机体氧自由基的代谢失调。在此过程中，抗氧化酶如超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)及过氧化氢酶(CAT)的活性受到抑制，从而使得蛋白质、脂质等大分子物质遭受氧化损伤和脂质过氧化侵害，产生了过量的氧化产物和过氧化产物，对机体产生了损害。同时，在氧化与抗氧化平衡失衡的状态下，肺泡巨噬细胞可释放各种蛋白酶以及促炎及促纤维化的细胞因子，这一过程不断促进气道和肺泡的炎症反应，以及成纤维细胞的增生，显示了细胞内氧化应激在炎症、纤维化甚至肿瘤形成等病理条件下的关键作用。已有研究证实，在矽肺的患者体内SOD活性降低、MDA含量升高[47] [48]。NO是一种极不稳定的生物自由基，作为矽肺发生过程中一种重要的自由基，可加剧组织损伤及纤维化水平[49]。有研究表明示汉防己甲素对大鼠矽肺的治疗作用可能与其降低自由基水平有关[50]。

3.7. KL-6

表达于II型肺泡上皮细胞的KL-6目前被认为是诊断ILD准确性最高的生物标记物。KL-6又名涎液化糖链抗原，属于分类为Cluster 9的MUC-1糖蛋白。ILD患者Ⅱ型肺泡上皮细胞显著增生，导致肺泡表面的KL-6表达增多，同时肺泡基底膜的损伤导致血管渗透性增加，使KL-6进入到血液中[51]。有研究显示，KL-6在早期ILD诊断以及评价ILD病情活动和预后方面具有重要价值[52]-[55]。

4. 总结

长期、大量的吸入SiO₂以及其他粉尘，机体无法吸收而大量沉积于远端细支气管和肺泡内，肺泡巨噬细胞不断吞噬沉积的粉尘，这是煤尘肺病形成的主要发病机制。许多研究表面，即使煤尘肺病患者脱离致病环境，病变仍然继续发展，这是因为细支气管和肺泡内沉积的大量粉尘不断被肺泡巨噬细胞所吞噬，继发病变。如何早期、准确地诊断CWP是迫切需要解决且极为困难的问题。临床医师需要提高CWP的意识，积极引导煤尘肺病患者健康生活的同时，不放过任何一个有效信息，警惕CWP的发生，借助可靠的生物学标志物，早发现、早诊断，延长存活时间，改善患者预后。

NOTES

^*通讯作者。