变应性鼻结膜炎(allergic rhinoconjunctivitis,ARC)是一种临床上常见的免疫性疾病,其特征为变应性鼻炎(allergic rhinitis,AR)与变应性结膜炎(allergic conjunctivitis,AC)的症状合并出现,属于由IgE介导的典型过敏反应。空气污染被视为引发ARC的一项重要风险因素。大气中的污染物主要包括气体与颗粒物(particulate matter,PM)两大类,其中颗粒物又可依据其粒径大小划分为粗颗粒物、细颗粒物和超细颗粒物,通常以气溶胶形态广泛悬浮于空气中。在这些污染物中,大气细颗粒物尤其受到关注。大气细颗粒物(fine particulate matter,PM2.5)是指环境空气中的空气动力学当量直径≤2.5 μm的颗粒物,也称可入肺颗粒物,是成分复杂的多相混合物,PM2.5暴露会加剧AR症状
[1]。前期研究表明NLRP3信号通路在ARC发病过程中的促进作用
[2],本研究通过构建ARC小鼠模型,研究PM2.5对ARC的影响及其是否通过NLRP3信号通路影响ARC发病过程。与既往单独研究AC或AR不同,本研究在ARC整体模型中探讨PM2.5的作用及NLRP3信号通路。
1 材料和方法
1.1 实验动物
本研究所用动物为SPF级雌性C57小鼠,体重约30 g,购自斯贝福(北京)生物技术有限公司[许可证号:SCXK(京)2019-0010]。所有动物实验操作均遵循国家科学技术部《实验动物管理条例》的相关要求,并经原战略支援部队特色医学中心动物实验伦理委员会审批通过[批号:伦审第(K202012)号]。
1.2 主要药品、试剂
卵清蛋白(ovalbumin,OVA)和氢氧化铝[Al(OH)3](Sigma);磷酸盐缓冲液(PBS,1×,pH 7.2 ~ 7.4)(Biosharp);小鼠OVA特异性IgE(OVA specific IgE,OVA-sIgE)、IL-4、IL-17及IL-18 ELISA检测试剂盒(BIOFINE)。PM2.5(Sigma-Aldrich。Western blot试剂:兔单抗NLRP3(Affinity),兔多抗肿瘤坏死因子α (tumor necrosis factor-α,TNF-α)(Affinity),小鼠单抗β-actin(武汉博士德生物工程有限公司),HRP标记羊抗小鼠二抗(武汉博士德生物工程有限公司),HRP标记羊抗兔二抗(武汉博士德生物工程有限公司),BCA蛋白浓度测定试剂盒(上海碧云天生物技术有限公司)。免疫组织化学试剂为兔单抗NLRP3(Affinity);兔二步法检测试剂盒(中杉金桥)。
1.3 实验方法
1.3.1 实验分组
选取健康C57小鼠36只,按随机数字表法分为3组,A组为对照组(PBS),B组为模型组[OVA+Al(OH)
3],C组为PM2.5暴露组[OVA+Al(OH)
3+PM2.5]。其中,PM2.5暴露组局部点眼时,先用0.05% PM2.5
[3]点每眼每鼻各10 μL,10 ~ 20 min后用OVA溶液点每眼每鼻各10 μL。3组腹腔注射及点眼点鼻均等量。
1.3.2 变应性鼻结膜炎小鼠模型建立
本研究用C57小鼠建立ARC,具体实验方案同参考文献[
4]。(1)致敏阶段:B、C组药物配制——将5 mg OVA溶于1 mL PBS制成混悬液;将200 mg Al(OH)
3溶于9 mL PBS制成混悬液;将前述混悬液缓慢加入后者,轻轻搅拌均匀,制成10 mL混悬液。A组药物配制——PBS。各组分别于实验0 d、4 d、7 d、14 d、21 d时行腹腔注射相应药物,0.2 mL/只。(2)局部加强致敏,药物点眼点鼻激发:基础致敏间隔3 d后,每周连续5 d点眼点鼻诱发过敏症状;B、C组每只小鼠每天用5% OVA分别点每眼每鼻各10 μL;直至出现眼、鼻过敏症状。A组等量PBS点眼、点鼻方法同上。C组:0.05% PM2.5点每眼每鼻各10 μL,10 ~ 20 min后5% OVA点每眼每鼻各10 μL。
1.4 记录鼻部与眼部过敏症状的出现时间
鼻部及眼部过敏症状的具体观察指标参照文献[
4]执行。在滴眼和滴鼻操作后的10 ~ 15min,对小鼠的鼻部和眼部过敏反应进行持续10 min的观察。若鼻部和眼部的过敏症状评分均较基线显著升高,则表明变应性鼻结膜炎小鼠模型诱导成功,同时记录相应症状出现的时间。
1.5 血清OVA-sIgE、IL-4、IL-17及IL-18表达
当C57小鼠表现出鼻部和眼部的过敏症状后,进行样本采集。通过摘除小鼠右眼球采集血液,收集于离心管内。采集样本在4℃条件下以3 000 r/min离心15 min,分离得到血清,分装后保存于-80℃超低温冰箱。在检测前,将血清样本置于冰水混合物中缓慢复融。采用ELISA方法测定血清中OVA-sIgE、IL-4、IL-17及IL-18的表达水平,所有操作均严格按照ELISA试剂盒说明书进行。
1.6 睑结膜及鼻黏膜组织NLRP3和TNF-α蛋白水平
于C57小鼠出现鼻部及眼部过敏反应后,进行组织样本采集。睑结膜取材方法:剪取上下眼睑组织,于显微镜下精细分离出睑结膜,迅速保存于-80℃超低温环境。鼻黏膜取材方法:剥离鼻部表面皮肤,去除鼻骨,取出双侧鼻黏膜组织,同样置于-80℃冷冻保存。采用RIPA裂解液提取总蛋白并进行定量,取各组等量总蛋白(40 μg)通过SDS-PAGE进行电泳分离,之后转印至PVDF膜。使用含5%脱脂奶粉的TBST封闭液在室温摇床封闭2 h。随后加入一抗NLRP3(1∶1 000)、TNF-α(1∶1 000)及β-actin(1∶1 000),4℃条件下孵育过夜。再用TBST配制相应的HRP标记二抗(1∶10 000),将膜浸入二抗液中,室温摇床孵育2 h。显色曝光胶片,利用IPP软件分析胶片灰度值,以测定目标蛋白的相对表达水平。
1.7 睑结膜及鼻黏膜组织NLRP3表达
于C57小鼠出现鼻部及眼部过敏反应后,进行组织样本采集。睑结膜与鼻黏膜的获取方法同前,所取组织分别放置于4%多聚甲醛溶液中予以固定。之后按常规方法进行石蜡包埋并制备切片,用于组织病理学观察。同时开展免疫组织化学实验,以检测组织中NLRP3蛋白的表达情况。实验操作严格依照试剂盒说明书执行,完成抗体标记及DAB显色步骤,最后使用苏木素进行复染。
1.8 统计学分析
所有统计数据均使用SPSS 17.0软件进行处理。计量资料以±s表示;两组间比较采用独立样本t检验;多组均数比较则使用重复测量方差分析,若存在显著性差异,进一步采用LSD法或Dunnett’s法进行两两比较。以P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 鼻部过敏出现时间及眼部过敏出现时间
鼻部、眼部过敏出现时间对比结果显示,与模型组比较,PM2.5暴露组鼻部和眼部过敏出现时间均显著提前,差异有统计学意义(
P<0.05),见
表1。
2.2 血清OVA-sIgE、IL-4、IL-17和IL-18表达
与对照组比较,模型组及PM2.5暴露组小鼠血清OVA-sIgE、IL-4、IL-17及IL-18表达均显著升高,差异均有统计学意义(
P均<0.05);与模型组比较,PM2.5暴露组小鼠血清OVA-sIgE表达显著升高,差异有统计学意义(
P<0.05),见
表2。
2.3 Western blot检测睑结膜及鼻黏膜组织NLRP3和TNF-α蛋白表达
与对照组比较,模型组及PM2.5暴露组小鼠睑结膜NLRP3、TNF-α表达及鼻黏膜NLRP3、TNF-α表达均显著增加,差异均有统计学意义(
P均<0.05);与模型组比较,PM2.5暴露组小鼠睑结膜NLRP3、TNF-α表达及鼻黏膜NLRP3、TNF-α表达显著增加,差异有统计学意义(
P均<0.05)。见
图1,
表3。
2.4 免疫组化检测睑结膜及鼻黏膜组织NLRP3表达
(1)鼻黏膜NLRP3表达:对照组鼻黏膜结构完整,上皮细胞可见少量NLRP3表达;模型组上皮细胞增生肥厚,上皮细胞、固有层大量NLRP3表达;PM2.5暴露组上皮细胞增生肥厚,上皮细胞、固有层大量NLRP3表达。
(2)睑结膜NLRP3表达:对照组睑结膜结构完整,上皮细胞可见少量NLRP3表达;模型组上皮细胞增生肥厚,上皮细胞、固有层大量NLRP3表达;PM2.5暴露组:上皮层变薄,上皮细胞、固有层大量NLRP3表达。见
图2。
3 讨论
空气污染是ARC的主要危险因素,接触空气污染物者发生AR的概率相比未接触污染物者高43%
[5]。但PM2.5致ARC发病的机制尚不明确。
本研究中,我们通过OVA成功建立了ARC小鼠模型,模型组小鼠血清中OVA特异性IgE及IL-4表达显著增加;其中PM2.5暴露组小鼠鼻部及眼部过敏症状出现显著早于模型组;实验结果表明PM2.5促进了小鼠ARC发生。有研究表明,PM2.5可通过Gadd45b/MEKK4/JNK信号通路介导,调节活性氧(reactive oxygen species,ROS)的生成,进而增强IgE所介导的肥大细胞活化
[6]。此外,PM2.5的浓度水平与AR患者的生活质量呈负相关,浓度升高可导致患者生活质量下降
[7]。AR和AC发病率与空气中PM2.5浓度呈正相关;改善空气质量,降低空气中PM2.5的浓度,能够有效降低AR和AC发病率
[8-11]。也有研究表明,PM2.5可以诱发与临床AC相似的症状,并且直接暴露于PM2.5可以诱发小鼠急性AC
[12]。PM2.5暴露诱导小鼠AC致敏与激发阶段中,能够促使Th2型免疫反应发生并促进血清IgE生成。该过程通过激活巨噬细胞,使其分泌胸腺基质淋巴细胞生成素(thymic stromal lymphopoietin,TSLP),进一步经由体内TSLP-TSLPR及TSLP-OX40L信号通路介导,从而加剧过敏性炎症反应
[13]。
本研究发现,ARC小鼠血清中IL-17、IL-18含量显著增加,睑结膜及鼻黏膜组织中NLRP3、TNF-α表达增加,其中PM2.5暴露组鼻黏膜及睑结膜组织中NLRP3、TNF-α表达较模型组显著增加。PM2.5促进了NLRP3及IL-18表达,提示其可能通过NLRP3信号通路促进并加重了ARC发生发展。近年来的研究显示,NLRP3-Caspase-1-IL-1β/IL-18信号通路在多种炎症性疾病的发生与发展中扮演关键角色。该通路的激活起始于NLRP3炎症小体的活化,进而促使IL-1β和IL-18等炎症因子释放,最终诱发机体的炎症反应。研究表明,NLRP3炎症小体及其下游效应因子IL-1β和IL-18参与AR的发病过程,并可能与炎症的严重程度相关
[14]。NLRP3炎症小体在结构上主要由3部分组成:核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3(NOD-like receptor protein 3,NLRP3)、含CARD结构域的凋亡相关斑点样蛋白(apoptosis associated speck-like protein containing a CARD,ASC)以及半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶1前体(pro-caspase-1),共同构成NLRP3-ASC-pro-caspase-1复合体
[15]。有研究表明,大气颗粒物(直径5.85 μm)通过TLR2/NF-κB/NLRP3信号通路加剧了变应性气道炎症
[16]。PM2.5可诱导对螨变应原高度敏感的小鼠气道高反应性,主要是通过NLRP3炎性小体相关机制以及不溶性颗粒和可溶性组分的协同作用
[17]。最近研究表明,PM2.5通过损害免疫细胞对微生物感染的反应,可能导致呼吸道严重疾病的发展
[18]。暴露于PM2.5中的流感病毒感染,PM2.5通过抑制NLRP3炎性小体和IFN-β的表达降低了巨噬细胞对流感病毒的免疫功能,导致流感感染加重及增加了肺炎的严重程度
[19]。PM2.5暴露后,IL-6、TNF-α等炎症因子水平升高加重了AR大鼠鼻黏膜的病理损伤
[20]。在OVA诱导的AR小鼠模型中,PM2.5通过Nrf2/NF-κB信号通路加重氧化应激和炎症反应,增加炎症细胞因子表达和减少Treg细胞因子释放,增强了鼻黏膜变应性炎症细胞表达,导致过敏反应加剧
[21]。有研究表明,当人角膜上皮细胞处于PM2.5暴露条件下,可激活NLRP3炎症小体,从而导致细胞活性下降;这一结果提示PM2.5可能通过促使NLRP3炎症小体活化,进而诱发角膜炎症反应
[22]。
以上重点讨论了PM2.5暴露对AR、AC的影响。临床数据表明,AC患者有一部分合并AR,同样AR患者有一部分合并AC,提示鼻眼之间有一定的联系或鼻黏膜与眼结膜之间存在共同的发病机制
[23]。(1)解剖生理联系:鼻眼通过鼻泪管连接;(2)黏膜免疫系统的共性:鼻黏膜和眼结膜均属于黏膜上皮,属于黏膜免疫系统的一部分,影响鼻黏膜的过敏性炎症也会出现在眼结膜;(3)鼻眼反射的存在:炎性因子组胺等对鼻黏膜产生刺激,刺激副交感系统,引起副交感神经系统介导的反应在结膜水平发生,从而产生过敏症状。但ARC的鼻眼相互作用具体机制尚不清楚。为此,我们构建ARC模型,研究PM2.5对眼结膜及鼻黏膜共同作用。本研究的关键发现是PM2.5暴露同步加速了鼻部和眼部的过敏症状,同步上调了鼻黏膜和睑结膜中NLRP3炎症小体核心组分及其下游炎症因子(TNF-α,IL-18)的表达,这提示ARC发病过程中眼结膜及鼻黏膜具有相同的病理生理过程。PM2.5可能通过NLRP3信号通路激活影响ARC的鼻眼两个靶器官,成为加剧ARC鼻部和眼部共同炎症反应的关键环境因素。有研究揭示了PM2.5通过AhR/CYP1A1/ROS信号通路促进NLRP3介导的细胞焦亡,最终导致上皮屏障破坏和AR恶化的新机制
[24]。
临床发现,相当比例的AC患者会出现眼部瘙痒和眼痛。有研究认为,过敏原复合物IgE能够直接结合外周神经元上表达的FcεRI;环境气源性过敏原也可以直接刺激神经元伤害感受器释放炎症物质
[25]。过敏性炎症刺激神经末梢释放血管活性和炎性神经肽,导致外周与中枢敏化以及神经元可塑性,从而降低瘙痒/疼痛阈值并增强瘙痒/疼痛反应。炎症反应与神经肽之间的相互作用在ARC的发病机制中起着重要作用。有研究表明,大鼠鼻部致敏后,鼻黏膜及结膜组织中P物质(substance P,SP)、血管活性肠肽(vasoactive intestinal peptide,VIP)、神经生长因子(nerve growth factor,NGF)水平均升高,而经过辣椒素对鼻感觉神经损伤后,鼻黏膜及眼结膜组织中SP、VIP和NGF表达水平均降低;提示神经源性炎症通过相同的神经源性因素影响眼结膜和鼻黏膜,而鼻部神经感觉似乎起主导作用
[26]。另有研究认为,SP、VIP与降钙素基因相关肽在ARC的发病过程中具有重要调节作用,且相较于眼部,鼻部中的神经递质及神经肽可能扮演更为关键的角色
[27]。以上研究表明了ARC发病过程中炎症信号可能主要起源于鼻部并影响眼部,可能存在一个由鼻向眼传导的神经源性炎症通路,即“鼻-眼轴”。同时本研究发现ARC发病过程中眼结膜及鼻黏膜同步发生病理性炎症反应,这进一步揭示了ARC是鼻眼紧密关联的共患疾病。因此,对于同时患有AC和AR的ARC患者,单一治疗眼或鼻均不充分,必须采取“眼鼻同治”的综合策略,以有效阻断炎症信号在鼻眼间的传导,实现更好的整体治疗效果。
神经免疫相互作用与神经肽之间的相互作用和相互调节在ARC的发病机制中起着重要作用,但空气污染仍是ARC的主要危险因素。实施环境控制和公共卫生战略,如对空气过敏原(花粉、空气污染)进行特异性检测,指导患者采取适当防护措施、早期干预和特异性免疫治疗,对ARC的防控有重要指导意义
[28-29]。本研究的局限性在于未设置PM2.5单独处理组,因此无法排除PM2.5本身可能具有的致敏或促炎作用,本研究结果主要反映PM2.5对OVA诱导的ARC模型的加剧效应。仅使用单一PM2.5浓度,无法阐明剂量效应关系,难以判断其作用的阈值或饱和浓度。未来研究需要包含不同浓度梯度以更全面评估PM2.5暴露的风险,这具有更重要的公共卫生指导意义。
综上所述,本研究表明空气污染是ARC的主要危险因素,在ARC诱导中,PM2.5暴露同步加速了鼻部和眼部的过敏症状,同步上调了鼻黏膜和睑结膜中NLRP3炎症小体核心组分及其下游炎症因子(TNF-α,IL-18)的表达。PM2.5暴露显著加快了ARC发生并加重其病情,其可能通过NLRP3信号通路激活影响ARC的鼻眼两个靶器官,成为加剧ARC鼻部和眼部共同炎症反应的关键环境因素。实施环境控制和公共卫生战略,如对空气过敏原(花粉、空气污染)进行特异性检测,指导患者采取适当防护措施、早期干预和特异性免疫治疗,对ARC的防控具有重要指导意义。
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国家环境保护环境感官应激与健康重点实验室开放基金(19ZX84)