水溶性有机硅烷涂层SIVO160可完全阻断可吸入结晶二氧化硅诱导的急性和亚慢性肺毒性及系统性炎症：一项动物模型研究

本文推荐：为解决可吸入结晶二氧化硅（RCS）暴露引发的肺纤维化、炎症及系统性健康风险，研究人员开展了一项关于水溶性有机硅烷涂层（SIVO160）防护效果的动物实验。结果表明，SIVO160涂层可完全阻断二氧化硅诱导的肺损伤（LDH升高）、肺部炎症（巨噬细胞和中性粒细胞浸润）及外周血白细胞增多，并在模拟生物介质中证实涂层可维持至少7天。该研究为矿山、压裂等行业工人RCS暴露提供了一种潜在的有效防护策略。

　　

在矿山开采、石油压裂等众多工业领域，工人们长期暴露于可吸入结晶二氧化硅（Respirable Crystalline Silica, RCS）粉尘中，面临着罹患矽肺（一种以肺纤维化和炎症为特征的疾病）、慢性阻塞性肺病（COPD）甚至肺癌的巨大风险。更令人担忧的是，一旦这些微小的二氧化硅颗粒沉积在肺部，由于缺乏行之有效的治疗方法，往往为时已晚，无法阻止 debilitating（使人衰弱的）肺部疾病的进展。问题的核心在于二氧化硅颗粒，尤其是新鲜破碎的颗粒，其表面具有高反应性，能产生活性氧物种（Reactive Oxygen Species, ROS），从而对肺细胞造成持续损伤。因此，一种能够在粉尘被吸入前就“解毒”的缓解策略，成为了保护广大工人健康的关键需求。

在此背景下，一项发表于《OpenNano》的研究为我们带来了新的希望。研究人员将目光投向了一种名为Dynasylan? SIVO160的水溶性有机硅烷材料。这类材料已在金属、玻璃和陶瓷表面处理中安全应用多年。理论上，它能够包裹在二氧化硅颗粒表面，屏蔽其高反应性表面，并将表面电荷由负转为正，从而钝化其生物活性。那么，这种涂层在真实的生物体内环境中，是否真的能有效阻断二氧化硅的毒性？其保护效果又能持续多久？为了回答这些问题，研究团队开展了一项严谨的动物实验研究。

为开展本研究，研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：使用雄性Sprague-Dawley大鼠模型进行气管内滴注暴露；通过支气管肺泡灌洗（BAL）技术并检测灌洗液（BALF）中的乳酸脱氢酶（LDH）活性及细胞分类计数来评估肺损伤和炎症；采用全自动血液分析仪进行外周血白细胞表型分析；通过基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-ToF/ToF MS）确认涂层在颗粒表面的存在；利用动态光散射（DLS）技术分析颗粒流体力学尺寸和Zeta电位；在模拟生物介质[吞噬溶酶体模拟液（PSF, pH 4.5）和血清超滤液（SUF, pH 7.3）]中评估涂层的持久性；并由专业兽医病理学家对肺组织进行盲法组织病理学评估。

系统炎症

通过分析外周血发现，暴露于未涂层二氧化硅的大鼠，在其暴露后第3天，血液中的中性粒细胞数量就相较于盐水对照组和单独SIVO160组有所升高。到了第10天和第45天，这种升高变得极为显著，并且在第45天时，总白细胞和淋巴细胞数量也显著高于其他所有组别。直至第90天，未涂层二氧化硅组的中性粒细胞和单核细胞数量仍显著高于对照组。至关重要的是，在所有时间点，暴露于经SIVO160预处理的二氧化硅的大鼠，其任何类型的外周血细胞数量均未出现显著升高，其水平与盐水对照组和单独SIVO160组无异。这表明SIVO160涂层完全阻止了二氧化硅诱导的系统性炎症反应。

肺部炎症和损伤

对肺部反应的评估得到了更为显著的结果。气管内滴注未涂层的二氧化硅在所有时间点（3, 10, 45, 90天）均引起了显著的肺损伤（BALF LDH活性升高）和肺部炎症（BAL回收细胞总数增加）。相比之下，暴露于SIVO160涂层的二氧化硅仅在第3天引起了轻微但显著的LDH和总细胞数增加，在其他时间点则与对照组没有差异。对回收的细胞进行分类后发现，涂层完全阻止了未涂层二氧化硅暴露引起的肺泡巨噬细胞（AMs）和中性粒细胞的增加。细胞涂片图像清晰显示，未涂层二氧化硅组大鼠肺部在整个90天研究期内均持续存在大量中性粒细胞，而涂层组仅见极少量。此外，在未涂层组第45和90天还观察到了大量泡沫样肺泡巨噬细胞，这在涂层组中并未出现。

肺组织病理学

肺组织的显微镜检查为上述发现提供了坚实的形态学证据。暴露后第45天，未涂层二氧化硅组大鼠肺部出现了包括细支气管-肺泡上皮增生、慢性活动性炎症、组织细胞浸润和血管周围淋巴浆细胞浸润在内的多种病变，严重程度为轻度至中度。而在同期，SIVO160涂层二氧化硅组仅在某些大鼠中观察到轻微程度的上述个别病变，其发生率和严重性都远低于未涂层组。到第90天时，未涂层组的肺部病变持续存在。一个有趣的现象是，在涂层组的两只大鼠肺部观察到了细支气管-肺泡肉芽肿性炎症和与之相关的轻度肺纤维化，这暗示涂层颗粒可能在肺部存留更久，引发了不同的慢性反应模式。

SIVO160表面涂层在模拟生物介质中的持久性

为了探究涂层在体内的存留情况，研究人员使用了环境散射显微镜（EDM）观察回收的BAL细胞。图像显示，SIVO160涂层的二氧化硅颗粒在暴露后所有时间点都能轻易地在吞噬细胞内被观察到，表明它们能在肺内长期存留。相反，未涂层的二氧化硅颗粒在第3天可见，但在后期时间点则很少见到，推测因其强细胞毒性而被释放到细胞外间隙。涂层持久性的化学分析显示，在SUF（中性pH）中，未涂层颗粒的硅溶解量在24小时内均高于涂层颗粒，表明涂层有约24小时的保护作用。在PSF（酸性pH，模拟吞噬溶酶体环境）中，未涂层颗粒的硅溶解量在前7天更高，之后两者趋于一致，表明涂层能提供约7天的保护。这与先前的研究结论相符。

综上所述，本研究得出明确结论：水溶性有机硅烷涂层材料SIVO160能够完全阻断高反应性结晶二氧化硅（Min-U-Sil 5）在动物体内诱导的急性和亚慢性肺毒性、肺部炎症以及系统性炎症。组织病理学分析进一步证实了涂层显著的保护效果。其保护机制源于涂层有效屏蔽了二氧化硅颗粒的高反应性表面，改变了其表面电荷，从而阻止了活性氧物种的生成和对细胞的损伤。尤为重要的是，涂层本身（SIVO160 alone）未表现出任何肺部毒性，具有良好的生物安全性。

该研究的发现具有重大的转化意义。它为解决矿山（尤其是 Appalachia 地区快速进展的进行性大块纤维化-PMF）、水力压裂（Fracking）等存在严重RCS暴露风险的行业中的职业健康问题，提供了一种极具前景的“工程控制”或“材料替代”式缓解策略。通过在粉尘产生的源头（如采矿切割过程或压裂砂输送过程中）喷洒此类有机硅烷材料，有望在粉尘被工人吸入前就对其进行了“钝化”处理，从源头降低职业暴露风险，保护大量工人的健康。未来的研究可进一步探索该涂层在真实工作环境中的实际应用效果、长期持久性以及对肺功能和其他生理指标的最终影响。