第八卷 第八期 - 2009年五月八日
以蛋白質體研究超細微奈米碳黑暴露造成小鼠肺部損傷的機制
張志欽1、陳淑慧2、賀詩欣2、楊俊毓3、王宏達4蔡美玲4,*

1國立成功大學醫學院工業衛生學科暨環境醫學研究所
2國立成功大學理學院化學系
3高雄醫學大學醫務管理學研究所
4國立成功大學醫學院生理學研究所
mltsai@mail.ncku.edu.tw

Proteomics 2007; 7:4388-4397

 
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米微粒係指粒徑小於100奈米的微粒,它比有些病毒還小,小於細菌、紅血球及上皮細胞。最近,由於世界各國對引擎排廢氣管制愈趨嚴格及奈米科技的發展,使得了空氣中及人造的奈米微粒大量增加。環境保護機構通常規範每平方公尺的粒子排放重量,這使得引擎製造業者將引擎排放粒子微小化,由於奈米微粒極輕,這使使每立方公尺的排放重量得以下降,但卻造成奈米微粒數目急速上升;在高速公路邊,奈米微粒數目可高達每立方公分有107個。而流行病學研究已發現空氣中的奈米微粒是造成呼吸道疾病及其惡化的元兇。再者奈米科技材料的發展,使奈米材料種類及使用快速增加,例如奈米二氧化鈦可做為光觸酶抗菌劑,而奈米碳管是最新且受囑目的奈米材料,它極輕且具韌性,又是良好的導電材料,可廣泛運用於電子及航太工業。但這也導致人類暴露於生產過程中或工作環境中奈米微粒的機會增加,使得人們開始憂慮它可能導致的健康效應。

奈米微粒由於粒子極小,因此相較於同等質量的大粒子,奈米微粒的總表面積遠超過較大的粒子,也擁有較多的表面分子,這些特性使得他們容易躲過巨噬細胞的吞噬及造成細胞氧化壓力上升。動物實驗發現奈米微粒相較較大的粒子,可造成更顯著的肺部多核球浸潤、肺泡冲提液中蛋白質的增加、較長的組織間質停留時間及更廣泛的肺部淋巴節充斥。以氣管灌注奈米微粒至小鼠後,15至30分鐘內即可於血液、肝臟、心臟、脾臟、腎臟及腦中發現奈米微粒;這些奈米微粒可降低心跳變異及增加血栓的形成。我們先前的研究發現肺泡冲提液中蛋白質的增加與血管內皮生成因子的增加有關,這是因為奈米微粒造成肺部細胞氧化壓力增加,導致血管內皮生成因子(又稱通透因子)增加,造成血管內蛋白質滲出而進入肺泡(1)。至於奈米碳管,它主要造成老鼠肺部間質發炎反應,並形成肉牙腫及纖維化組織,這組織病理學的表現與石棉所造成的病變類似。

圖1.
蛋白質體研究可以定性的描述存在特定疾病階段的蛋白質組或比較蛋白質的表現量,因此蛋白質體研究可視為一種描述性研究,是非常有用的假說形成工具。為了進一步了解奈米微粒造成肺部傷害的機轉,我們利用1-D geLC/MS/MS去鑑識奈米微粒暴露後,存在於肺泡冲提液中的特殊蛋白質組(2)。我們使用1-D geLC/MS/MS而非2-D MALDI-MS,是因為它能增加發掘高分子量蛋白質、低表現的細胞受器和水溶性差的胞膜及核蛋白的機會。我們一共發現了33個只存在於奈米微粒暴露組肺泡冲提液中的蛋白,其中包含三個胞膜蛋白(白血病抑制因子受體、上皮細胞生長因子受體和SEC14-like 3)及一個高分子量蛋白質(蛋白酶抑制劑α2巨球蛋白) (圖1)。在随後的驗證實驗中,西方墨點分析發現肺泡冲提液中白血病抑制因子受體、上皮細胞生長因子受體、抗氧化藍包漿素及α2巨球蛋白皆上升,再者肺組織中的白血病抑制因子受體及上皮細胞生長因子受體的量下降(圖2);而奈米微粒使肺部上皮細胞抗氧化藍包漿素的表現量上升(圖3),這反應了奈米微粒暴露可造成肺部上皮細胞氧化壓力上升。綜合以上所述,我們認為奈米微粒可導致細胞氧化壓力上升並釋放蛋白酶,造成細胞損傷脫落,使得肺泡冲提液中血病抑制因子受體及上皮細胞生長因子受體增加。
圖3.
圖2.


再者,奈米微粒暴露可造成肺泡冲提液中白血病抑制因子的生成增加,並使肺上皮細胞白血病抑制因子受體表現下降,這足以顯示奈米微粒暴露可活化白血病抑制因子/白血病抑制因子受體訊息路徑。白血病抑制因子是細胞白介素第六因子(IL-6)大家族的一員,它可藉由促進白血球分化而激化發炎反應,也可藉由調控速激肽(Tachykinin)及其受體而增強氣道發炎反應。但重要的是白血病抑制因子受體分佈在氣道的膽鹼激導性(Cholinergic)神經及激發性非膽鹼激導性-非腎上腺素知覺神經(Excitatory non-cholinergic non-adrenergic sensory nerve)上,因此白血病抑制因子可經由這些受體來增強上述兩類神經對氣道平滑肌的收縮作用。所以,白血病抑制因子於發炎反應時,能雙向影響免疫系統及神經組織的功能。再加上奈米微粒會造成呼吸道疾病及其惡化。所以,值得去了解白血病抑制因子在奈米微粒所造成的發炎反應及肺部病變所扮演的角色,這是我們實驗室目前的研究重點之一。

參考文獻:
  1. Chang CC, Chiu HF, Wu YS, Li YC, Tsai ML, Shen CK, Yang CY. The induction of vascular endothelial growth factor by ultrafine carbon black contributes to the increase of alveolar-capillary permeability. Environ Health Perspect 2005, 113, 454-460
  2. Chang CC, Chen SH, Ho SH, Yang CY, Wang HD, Tsai ML. Proteomic analysis of proteins from bronchoalveolar lavage fluid reveals the action mechanism of ultrafine carbon black-induced lung injury in mice. Proteomics 2007; 7:4388-4397

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