研究背景及目的：
煤工塵肺（Coal worker’s pneumoconiosis，CWP）是我國我省重要的職業病之一，由於其導致的嚴重呼吸功能障礙可對腦功能產生不利影響，已日益受到社會的重視。研究探討煤工塵肺對腦功能影響的原因和機制，有重要的臨床價值，也是我們醫學界義不容辭的責任。
研究顯示，隨著煤工塵肺的晉級，肺功能正常率降低，肺功能障礙的危險性第次增加，常常引起與肺臟損害不成比例的更加嚴重的肺功能障礙，而持續的低氧血症和高碳酸血症，將引起呼吸系統以外多器官系統的損傷，中樞神經系統的影響尤為明顯，早期即可引起學習力、記憶力、計算力等認知功能的改變，但其發生機制尚不完全清楚。內質網（endoplasmic reticulum，ER）是真核細胞中蛋白質合成、修飾、裝配摺疊以及Ca2+儲存的重要細胞器，近年來，其在維持細胞穩態、影響細胞存亡的作用業已日益引起廣大學者的高度重視。有相關研究發現，內質網功能紊亂，如葡萄糖缺乏、Ca2+穩態改變、自由基損傷等導致蛋白質在內質網中錯誤摺疊和積聚從而引發的內質網應激反應可以導致特異性的細胞凋亡，被認為是繼死亡受體和線粒體途徑之後的第三條細胞凋亡途徑。誘發內質網應激（endoplasmicreticulum stress，ERS）的理化因素包括缺血、低氧、氧化應激、紫外線、營養物質不足、病毒、毒性物質、高同型半胱氨酸血症等，這些因素可以分別通過不同機制引發內質網應激。內質網應激一方面可以通過各種途徑使細胞蛋白質合成水平下降、內質網伴侶蛋白表達上調，提高細胞對各種刺激的抵抗能力，幫助細胞儘快恢復穩態；另一方面，當刺激因素持續存在或強度過大，內質網應激的保護性反應不足以恢復細胞常態時，將啟動程序性細胞凋亡途徑，導致細胞凋亡。煤工塵肺形成後導致的長期、慢性缺氧，是重要的內質網應激激發因素。通過激活神經細胞的內質網應激反應，繼而激活經由以caspase-12為起始因子和以CHOP信息分子為中心的細胞凋亡途徑，導致的神經細胞凋亡，很可能是引起腦功能障礙的重要機制。我們導師牛小媛教授領導的研究團隊，在煤工塵肺與腦功能改變領域做了有意義的探索，已經發現煤工塵肺患者認知功能障礙的發病率較高，並進行了系列的動物實驗研究。本項研究以內質網應激理論為指導，通過成功複製煤工塵肺引發認知功能障礙的大鼠模型，探討煤工塵肺對認知功能影響的發病機制，為臨床診斷和治療提供新思路和新策略。
本項研究共分兩部分：第一部分，主要建立大鼠煤工塵肺以及對學習記憶功能影響的動物模型；第二部分，重點探討內質網應激在煤工塵肺大鼠認知功能障礙發病中的作用。第一部分煤工塵肺對學習記憶功能影響的動物模型的建立研究方法：雄性Wistar大鼠100隻,體重180～200g。取晉城市礦務局一級無煙煤研磨粉碎，200目鋼網過濾、水選，用生理鹽水配成50g/L的懸液，高壓滅菌後備用。選擇18號靜脈套管針製備氣管導管。捕捉大鼠，腹部消毒，用10％水合氯醛（300 mg/kg.w）經腹腔麻醉後仰臥固定，直接經口氣管插管，確定導管在氣管內後，模型組動物灌入煤塵生理鹽水懸液（1ml/只大鼠），正常對照組動物灌入等量生理鹽水。實驗初始時灌注1次。全部實驗動物在同等條件下飼養並自由飲食。分別在實驗8周末和20周末，隨機各抽取實驗組與對照組大鼠20隻，應用Morris水迷宮系統分別測定其學習和記憶能力。隨後無菌操作，抽取腹主動脈血進行血氣分析，摘取肺組織和腦組織，用於形態學觀察。
研究結果：
1、Morris水迷宮定位航行試驗和空間探索試驗結果表明，模型組大鼠的學習能力和記憶能力明顯受損，並與染塵時間相關。
2、經氣道灌注煤塵動物隨著染塵時間延長，動脈血氧分壓（PaO2）逐漸降低，PaCO2逐漸升高，說明實驗組動物染塵後肺功能逐漸降低，並且與染塵時間有關。
3、肺組織膠原纖維（Van Gieson，VG）染色結果表明，肺組織纖維化指數隨病程進展顯示出明顯增高性變化，說明染塵是引起肺組織發生纖維化的重要因素。
4、肺組織病理形態學變化：光學顯微鏡下觀察發現，染塵8周可見肺組織中有大量煤塵沉積，間質和肺泡區炎性反應，肺間質出血，部分肺泡腔中有均勻的蛋白水腫液，肺組織有破壞，間質纖維組織增生，部分區域可見代償性肺氣腫；染塵20周大鼠仍有大量煤塵沉積，可見吞噬了煤塵的巨大體積的巨噬細胞，水腫，病變區域肺泡壁增厚，間質纖維組織增生明顯；代償性肺氣腫區域肺泡壁破壞，或者明顯被擠壓；可見多個煤塵結節。
5、腦組織病理形態學變化：光學顯微鏡下觀察發現，8周時間點炎性反應明顯，總體表現為血管擴張、充血，膠質細胞增多，間質疏鬆、神經細胞突起和核仁消失，提示腦組織有水腫和神經細胞變性；部分神經元核染色質濃縮，可見少量凋亡小體。20周時間點可見神經細胞變性加重，核膜增厚，染色質凝集成塊狀，核固縮更加明顯，凋亡小體較8周時間點增多；間質有篩網狀結構，提示有局灶性液化性壞死，可見核碎裂和壞死細胞。
6、腦組織神經特異性烯醇化酶（neuron-specific enolase，NSE）染色計數表明，NSE高特異性的定位於神經元，煤工塵肺組的神經細胞數量較對照組明顯減少，提示了其導致認知功能障礙的重要機制。第二部分內質網應激在煤工塵肺大鼠認知功能障礙發病中的作用研究方法：雄性Wistar大鼠,體重180～200g,山西醫科大學動物中心提供。適應性飼養一周後，模型組經氣管灌入煤塵生理鹽水懸液（50g/L）lml/只，對照組灌入生理鹽水1ml/只。實驗初始時灌注1次。全部實驗動物在同等條件下飼養並自由飲食。染塵後8周末，動物經10％水合氯醛（300 mg/kg·w）腹腔注射麻醉，將腦組織取出，部分組織液氮凍存，製作勻漿，採用生物化學法檢測丙二醛（MDA）含量；部分組織於10％的中性甲醛固定，用於組織學研究。採用免疫組織化學染色方法，觀察HIF-1α、GRP78、CHOP、caspase-12、Bcl-2的蛋白表達，在光學顯微鏡下，使用BI2000顯微圖像分析系統對陽性染色面積進行半定量分析；採用TUNEL法，進行凋亡細胞染色，同樣使用BI2000顯微圖像分析系統計數陽性染色細胞。
研究結果：與正常對照組相比較，模型組MDA含量、HIF-1α、GRP78、CHOP、caspase-12、Bcl-2的蛋白表達量均明顯增加，凋亡細胞陽性率顯著升高。形態學也觀察到明顯增加的凋亡徵象，充分說明煤工塵肺8周大鼠發生的低氧血症，引發了腦組織的內質網應激反應，並引起了神經細胞凋亡。
綜合上述研究結果，本項研究的意義在於：
（1）成功複製了煤工塵肺導致認知功能障礙的大鼠模型，為研究CWP大鼠神經細胞數量減少奠定了良好的實驗基礎；
（2）深入探討了內質網應激機制在認知功能障礙發病中的作用。