负离子吸入对香烟烟雾诱导慢性阻塞性肺疾病模型小鼠的治疗作用与机制研究

《COPD: Journal of Chronic Obstructive Pulmonary Disease》：The Effect of Anion Inhalation in a Mouse Model of Cigarette Smoke-Induced Chronic Obstructive Pulmonary Disease

本文是一项临床前研究，系统探讨了吸入负离子对香烟烟雾与脂多糖联合诱导的慢性阻塞性肺疾病小鼠模型的干预效果。研究发现，长期吸入高浓度负离子能够显著改善COPD模型小鼠的肺功能，减轻气道胶原沉积，并通过增强抗氧化酶SOD活性、调节NQO1表达及抑制TGF-β/Smad2/3信号通路等机制，重塑氧化/抗氧化失衡，且未观察到对主要脏器产生明显副作用，提示负离子吸入可能是COPD潜在的新型辅助干预策略。

　　

背景与目的

慢性阻塞性肺疾病是导致全球发病率和死亡率居高不下的重要呼吸系统疾病，其病理特征包括持续气流受限、慢性炎症和气道重构。氧化应激与抗氧化系统的失衡是驱动COPD进展的核心机制之一。负离子是空气中带负电的分子或原子，已有研究显示其具备清除活性氧的能力，但负离子吸入是否对COPD具有治疗益处尚不明确。本研究旨在利用香烟烟雾联合脂多糖诱导的COPD小鼠模型，评估不同剂量负离子吸入干预的治疗效果与安全性，并探究其潜在作用机制。

研究方法

研究采用雄性C57BL/6J小鼠，通过气管内滴注脂多糖并长期暴露于香烟烟雾建立COPD模型。从实验第61天起，模型小鼠被随机分为四组：模型对照组、低剂量、中剂量和高剂量负离子吸入干预组。负离子由一台模拟自然界闪电效应的压电高频发生器产生，主要成分为NO₃^?，浓度超过10⁷ions/cm³。干预持续四个月。研究终点时，通过小动物肺功能仪检测肺功能；收集支气管肺泡灌洗液进行炎症细胞计数和细胞因子检测；测定血清和肺组织中的超氧化物歧化酶活性；通过苏木精-伊红染色和Masson染色观察肺组织病理形态与胶原沉积情况；利用蛋白质印迹法检测肺组织中Nrf2、NQO1、纤连蛋白、胶原蛋白I以及磷酸化Smad2/3等蛋白的表达水平；并取主要脏器计算脏器指数并观察病理结构，以评估长期治疗的安全性。

研究结果

负离子吸入改善COPD小鼠肺功能

与对照组相比，COPD模型小鼠表现出肺功能受损，具体表现为功能残气量和肺总量显著增加，而第20毫秒用力呼气容积占用力肺活量百分比显著降低。负离子吸入干预后，中、高剂量组的肺功能指标得到显著改善，压力-容积环和流量-容积环的形态也更接近正常。

对炎症反应的影响

模型组小鼠支气管肺泡灌洗液中炎症细胞总数、巨噬细胞和中性粒细胞数量，以及细胞因子TGF-β和角化细胞衍生细胞因子的水平均显著升高。负离子吸入可降低灌洗液中TGF-β和角化细胞衍生细胞因子的浓度，并显著降低模型小鼠升高的红细胞比容，但对炎症细胞总数的增加无明显逆转作用。

重塑氧化/抗氧化平衡

香烟烟雾暴露导致小鼠血清和肺组织中超氧化物歧化酶活性显著降低，而肺组织中抗氧化应激蛋白NQO1的表达升高。负离子吸入干预后，中、高剂量组小鼠血清和肺组织中的超氧化物歧化酶活性得到显著恢复，并下调了肺组织中过度表达的NQO1蛋白，表明负离子吸入有助于恢复机体被破坏的氧化/抗氧化平衡。

减轻气道胶原沉积

肺组织病理染色显示，模型组小鼠气道壁增厚，有大量胶原沉积。Masson染色定量分析表明，模型组小鼠气道胶原沉积面积显著增加，而中剂量负离子吸入干预可显著减少该沉积面积。此外，负离子吸入也显著抑制了模型小鼠肺组织中纤连蛋白和胶原蛋白I的表达。

抑制TGF-β/Smad2/3信号通路

蛋白质印迹分析进一步揭示了分子层面的机制。研究发现，负离子吸入可抑制由香烟烟雾暴露诱导的Smad2/3蛋白磷酸化水平升高，这表明其减轻细胞外基质沉积的作用可能与抑制TGF-β/Smad2/3信号通路的激活有关。

治疗安全性评估

脏器指数和主要脏器的病理学检查结果显示，长期高浓度负离子吸入未对小鼠的肝、脾、肾、心、脑等主要器官的病理结构和脏器指数产生明显不良影响，提示该方法在本研究条件下具有良好的安全性。

讨论与结论

本研究首次在动物模型中系统评估了负离子吸入对COPD的干预效果。结果表明，长期吸入高浓度负离子能够改善COPD模型小鼠的肺功能，其作用机制可能包括：增强机体抗氧化能力，恢复氧化/抗氧化平衡；抑制TGF-β/Smad2/3信号通路，从而减少细胞外基质蛋白的表达与气道胶原沉积。这些效应共同有助于缓解由香烟烟雾暴露引起的气道重构和功能下降。尽管研究未观察到对肺气肿程度和炎症细胞浸润的显著改善，但负离子吸入在减轻气道纤维化方面的积极作用明确，且未表现出明显脏器毒性。本研究为负离子吸入作为一种潜在、安全的COPD物理辅助疗法提供了临床前证据。未来研究需进一步明确其量效关系、在肺组织内的实际浓度以及是通过清除呼吸道颗粒物还是直接作用于细胞来发挥效应等具体机制。