中华预防医学杂志    2020年06期 甲苯二异氰酸酯职业暴露工人肺功能改变与血清促炎细胞因子的相关性分析    PDF     文章点击量:106    
中华预防医学杂志2020年06期
中华医学会主办。
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牛勇 苗盼盼 王俊程 孟涛 贾强 沈美丽 宾萍 段化伟 邵华 戴宇飞
NiuYong,MiaoPanpan,WangJuncheng,MengTao,JiaQiang,ShenMeili,BinPing,DuanHuawei,ShaoHua,DaiYufei
甲苯二异氰酸酯职业暴露工人肺功能改变与血清促炎细胞因子的相关性分析
Analysis of the relationship between the changes of lung function and serum proinflammatory cytokines in workers occupationally exposed to toluene diisocyanate
中华预防医学杂志, 2020,54(6)
http://dx.doi.org/10.3760/cma.j.cn112150-20191019-00800
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投稿日期: 2019-10-19
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甲苯二异氰酸酯职业暴露工人肺功能改变与血清促炎细胞因子的相关性分析
牛勇 苗盼盼 王俊程 孟涛 贾强 沈美丽 宾萍 段化伟 邵华 戴宇飞     
牛勇 中国疾病预防控制中心职业卫生与中毒控制所,北京 100050
苗盼盼 中国疾病预防控制中心职业卫生与中毒控制所,北京 100050
王俊程 中国疾病预防控制中心职业卫生与中毒控制所,北京 100050
孟涛 山西大同大学医学院附属第一医院病理科 037009
贾强 山东第一医科大学 山东省职业卫生与职业病防治研究院毒理室,济南 250062
沈美丽 中国疾病预防控制中心职业卫生与中毒控制所,北京 100050
宾萍 中国疾病预防控制中心职业卫生与中毒控制所,北京 100050
段化伟 中国疾病预防控制中心职业卫生与中毒控制所,北京 100050
邵华 山东第一医科大学 山东省职业卫生与职业病防治研究院毒理室,济南 250062
戴宇飞 中国疾病预防控制中心职业卫生与中毒控制所,北京 100050
摘要: 目的  分析甲苯二异氰酸酯(TDI)职业暴露工人肺功能的改变与血清促炎细胞因子的相关性,探索TDI呼吸系统毒作用的效应评价指标。方法  于2014年10月,以中国西部地区某TDI生产厂中从事TDI合成工序、提纯工序、包装工序及上述生产过程的巡检工序的61名男性作业工人为TDI暴露组,主要经吸入蒸汽和气溶胶暴露;以该工厂中不接触TDI及其他已知致敏性化学物的62名男性企业管理人员作为对照组,与暴露组工人年龄匹配。问卷调查获得性别、工龄、年龄、职业史、暴露工龄等信息,检测工人肺功能指标[第一秒用力呼吸容积(FEV1)、用力肺活量(FVC)、FEV1/FVC]及血清中细胞因子[白细胞介素(IL)-8、肿瘤坏死因子(TNF)-α等]水平;收集周末班后尿,测定尿液中TDI的代谢物甲苯二胺(TDA)浓度作为内暴露指标。采用Spearman秩相关分析细胞因子与肺功能指标的相关性;采用多重线性回归分析肺功能指标、细胞因子随TDI暴露浓度和时间变化的趋势。结果  暴露组和对照组工人年龄MP5~P95)分别为36.5(24.0~51.0)和38.0(24.0~50.0)岁,暴露组工龄MP5~P95)为6.94(0.97~26.33)年,尿液TDA浓度MP5 ~ P95)为15.56(2.28~112.16)ng/ml。与对照组比较,暴露组肺功能3项指标FVC、FEV1、FEV1/FVC以及血清中IL-8和TNF-α水平均明显降低(P值均<0.05)。随着暴露浓度的增加和暴露时间的延长,血清TNF-α水平及FVC、FEV1均呈降低的趋势,且呈剂量-效应和时间-效应关系(P趋势值均< 0.05)。血清IL-8、TNF-α均与FVC、FEV1、FEV1/FVC呈正相关(P值均<0.05)。结论  TDI暴露工人血清炎性因子IL-8和 TNF-α水平与肺功能指标有关联,可作为TDI致呼吸系统毒作用的早期效应评价指标。
关键词 :职业暴露;呼吸功能试验;细胞因子类;横断面研究;甲苯二异氰酸酯
Analysis of the relationship between the changes of lung function and serum proinflammatory cytokines in workers occupationally exposed to toluene diisocyanate
NiuYong,MiaoPanpan,WangJuncheng,MengTao,JiaQiang,ShenMeili,BinPing,DuanHuawei,ShaoHua,DaiYufei     
Institute of Occupational Health and Poison Control, Chinese Center for Disease Control and Prevention, Beijing 100050, China
Corresponding author: Dai Yufei, Email: daiyf@niohp.chinacdc.cn
Abstract:Objective  To analyze the correlation between the changes of lung function and serum proinflammatory cytokines in workers occupationally exposed to toluene diisocyanate (TDI), and to explore the evaluation index of respiratory toxicity of TDI.Methods  In October 2014, 61 male workers engaged in TDI synthesis process, purification process, packaging process and the above production process in a TDI factory in western China were selected as TDI exposure group; 62 male enterprise managers who were not exposed to TDI and other known allergenic chemicals were selected as control group, which were matched at the age of workers in exposure group. The questionnaire survey obtained information such as gender, length of service, age, occupational history, exposed length of service and so on. The lung function indexes [forced expiratory volume in the first second (FEV1), forced vital capacity (FVC), FEV1/FVC] and serum levels of interleukin (IL)-1 β, IL-6, IL-8, tumor necrosis factor (TNF)-α, macrophage inflammatory factor-1 β, monocyte chemoattractant factor-1 and vascular endothelial growth factor were measured. The urine was collected after the weekend shift, and the concentration of (TDA), the metabolite of TDI, was determined as the index of internal exposure. Spearman rank correlation was used to analyze the correlation between cytokines and lung function indexes, and multivariate linear regression was used to analyze the changes of lung function indexes and cytokines with TDI exposure concentration and time.Results  The median age (P5-P95) of the exposed group and the control group was 36.5 (24.0-51.0) and 38.0 (24.0-50.0) years, respectively. In the exposed group, the median length of service (P5-P95) was 6.94 (0.97-26.33) years, and the median concentration of TDA in urine was 15.56 (2.28-112.16) ng/ml. The three indexes of lung function, FVC, FEV1, FEV1/FVC and the levels of serum IL-8 and TNF-α were significantly lower than those in the control group (P<0.01). With the increase of exposure concentration and exposure time, the level of serum TNF-α, FVC and FEV1 decreased, and showed a good dose-effect and time-effect relationship (all Ptrend values< 0.05). Serum IL-8 and TNF-α were positively correlated with FVC, FEV1 and FEV1/FVC (all P values<0.01).Conclusion  The levels of serum inflammatory factors IL-8 and TNF-α in worker exposed to TDI are related to lung function indexes, which can be used as early evaluation indexes of respiratory toxicity induced by TDI.
Key words :Occupational exposure;Respiratory function tests;Cytokines;Cross-sectional studies;Toluene diisocyanate
全文

甲苯二异氰酸酯(toluene diisocyanate, TDI)在工业上多用于聚氨酸酯软质泡沫塑料、涂料、胶粘剂等材料的合成,家居装修材料中较为常见[1]。研究表明,TDI有刺激和致敏作用,靶器官为肺、肝和睾丸[2]。职业人群TDI暴露途径通常为呼吸道,吸入高浓度TDI(0.5~5 mg/L)可引起呼吸道黏膜刺激作用,诱发咽痛、剧咳、气急及呼吸道刺激等症状,甚至引发肺泡性水肿[3];长期暴露低浓度TDI(0.001~0.020 mg/L)会导致气道高反应、哮喘[4]及过敏性肺炎[5]。目前主要通过检测肺部靶组织生物标志物的水平评估TDI相关疾病,常用的TDI生物标志物除了白细胞介素(interleukin, IL)-1β、IL-6、IL-8和肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor, TNF-α)等靶器官炎性标志物之外,还包括血清中氧化损伤和能量代谢的标志物(如丙二醛、超氧化物歧化酶、还原型谷胱甘肽、琥珀酸脱氢酶、乳酸脱氢酶以及三磷酸腺苷酶等),以及血清、尿液中TDI代谢标志物甲苯二胺(toluene diamine,TDA)(2,4-TDA和2,6-TDA)等[6]。由于传统肺部靶器官组织检测在人群适用性的限制,能否通过检测血清中同样的细胞因子来预测和评价疾病状况就显得尤为必要。因此,本研究旨在分析TDI职业暴露人群的血清炎性细胞因子水平的变化,通过对比肺功能改变与相应血清炎性因子的相关性,探讨以血液作为替代靶组织,评价相关细胞因子作为TDI致呼吸系统损伤的效应指标的可行性。

对象与方法  

一、对象  于2014年10月,以中国西部地区某TDI生产厂为研究现场,以从事TDI合成工序、提纯工序、包装工序及上述生产过程的巡检工序的男性工人为TDI暴露组(TDI具有较强的挥发性,主要经吸入蒸汽和气溶胶暴露);根据年龄匹配,选择该厂内不接触TDI及其他已知致敏性化学物的男性企业管理人员作为对照组。排除标准包括:有食物或药物过敏史、免疫相关疾病史、以及最近1周内服用药物者。共纳入123名研究对象,TDI暴露组61名,对照组62名。本研究通过了中国疾病预防控制中心职业卫生所伦理委员会审查,所有对象均已签署知情同意书。

二、调查内容与方法  

1.问卷调查:  通过调查问卷收集信息,主要包括一般人口学特征(性别、年龄、工龄、吸烟及饮酒情况),个人及家族过敏史,职业史及近期患病情况。吸烟定义为既往烟量超过100支的现在吸烟者;饮酒定义为近1年内平均每月饮酒2次以上的现饮酒者。

2.生物样本采集:  抽取空腹肘静脉血4 ml,室温25 ℃静置30 min后,360×g离心10 min,收集上层血清,于-80 ℃冻存,用于检测细胞因子。工人周末下班后1 h以内,采用无菌试管收集工人尿液50 ml,用于检测TDI代谢产物。

3.尿液TDI代谢物检测:  尿中螯合形态的TDA经酸化水解为游离态的TDA,在碱性条件下用甲苯萃取尿中螯合形态的2,4-TDA和2,6-TDA,七氟丁酸酐衍生后,采用7890B GC气相色谱仪(美国安捷伦科技公司)检测[7]

4.血清细胞因子水平检测:  利用液态悬浮芯片试剂盒(Human IL-1β Flex Set、Human IL-6 Flex Set、Human IL-8 Flex Set、Human TNF-α、Human MIP-1β Flex Set、Human MCP-1Flex Set、Human VEGF Flex Set,美国BD公司)检测血清中白细胞介素(interleukin, IL)-1β、IL-6、IL-8、肿瘤坏死因子(Tumor necrosis factor, TNF)-α、巨噬细胞炎症因子(macrophage inflammatory factor, MIP)-1β、单核细胞趋化因子(monocyte chemoattractant protein-1,MCP-1)、血管内皮细胞生长因子(vascular endothelial cell growth factor, VEGF)水平,所有步骤均按照试剂盒说明书进行操作。

5.肺功能检测:  利用便携式肺功能仪(CHEST HI-701,日本捷斯特公司)检测调查对象安静时的肺功能。由经过培训的专业医师向受试者详细解释检测步骤及注意事项,并作示范演示。录入受试者的年龄、性别、身高、体重等参数后,自动计算得出肺功能各项指标的预测值。检测指标包括用力肺活量(forced vital capacity,FVC)和第一秒用力呼气容积(forced vital capacity in one pond,FEV1),测定结果以实测值与预测值的比值(%)表示,并计算FEV1/FVC的比值。

三、质量控制  参与问卷调查的人员均经过统一培训;生物样本采集由当地医院检测,测量仪器和系统均经实验室认证并考核合格。肺功能每次测量前均有医师询问受试者是否有禁忌证,并向符合规定的受试者详细解释检测步骤及注意事项。所有的检测试剂在使用前均按照要求进行准备并校对相应实验仪器。

四、统计学分析  采用Excel 2010软件进行数据录入,采用SAS 9.2软件进行统计分析。体重指数(body mass index,BMI)符合正态分布,采用表示;年龄、工龄、尿TDA浓度、血清细胞因子水平为偏态分布,采用MP5~P95)表示。采用独立样本t检验分析暴露组和对照组间BMI的差异,采用χ2检验分析暴露组和对照组的吸烟、饮酒情况差异,采用Wilcoxon秩和检验分析暴露组与对照组的肺功能指标(FVC、FEV1、FEV1/FVC)和血清细胞因子水平(IL-1β、IL-6、IL-8、TNF-α、MCP-1、MIP-1β、VEGF)的差异;采用Spearman秩相关分别分析TNF-α、IL-8水平与FVC、FEV1、FEV1/FVC的相关性。分别以肺功能指标及细胞因子为因变量,以尿液总TDA浓度、暴露时间为自变量,调整年龄、BMI、吸烟、饮酒等混杂因素后,采用多重线性回归分析各个肺功能指标、细胞因子随暴露浓度和时间变化的趋势。双侧检验,检验水准α= 0.05。

结果  

1.基本情况:  暴露组和对照组年龄MP5~P95)分别为36.5(24.0~51.0)、38.0(24.0~50.0)岁,BMI分别为(23.60±2.43)、(24.46±3.19)kg/m2,两组间年龄、BMI、吸烟、饮酒情况差异均无统计学意义(表1)。暴露组工龄MP5~P95)为6.94(0.97~26.33)年,尿液总TDA浓度MP5~P95)为15.56(2.28~112.16)ng/ml。

表1TDI暴露组与对照组间人口学特征、肺功能及血清细胞因子水平的比较

2.血清中细胞因子水平随暴露浓度和暴露时间的变化趋势:  TDI暴露组血清IL-8和TNF-α浓度[分别为16.09(11.17~22.96)、6.07(5.27~11.1)pg/ml]均低于对照组[血清IL-8和TNF-α浓度分别为83.2(11.74~387.02),10.13(5.26~28.7)pg/ml](P值均<0.05)(表1)。随着暴露浓度和暴露时间的增加,血清TNF-α水平逐渐降低,呈现良好的剂量-效应和时间效应关系(P趋势< 0.05);而IL-8水平虽然趋势性检验有统计学意义,但在暴露组中效应趋势不明显,见表2

表2TDI暴露组和对照组工人细胞因子水平随暴露浓度和暴露时间的变化趋势

3.肺功能指标随暴露浓度和暴露时间的变化趋势:  暴露组的FVC(89.37%±11.29%)、FEV1(83.86%±14.03%)、FEV1/FVC(110.48%±13.51%)均低于对照组[FVC、FEV1、FEV1/FVC分别为(125.62%±20.79%)、(137.72%±23.43%)、(129.02%±5.57%)](P值均<0.05)(表1)。随着暴露浓度的增高和暴露时间延长,肺功能FVC、FEV1、FEV1/FVC均呈逐渐降低趋势(P趋势 值均< 0.05)(表3)。

表3TDI暴露组和对照组工人肺功能指标随暴露浓度和暴露时间的变化趋势

4. 细胞因子与肺功能指标的Spearman秩相关分析:  全部研究对象中,血清TNF-α、IL-8水平与肺功能FVC、FEV1、FEV1/FVC均呈正相关,rs分别为0.39、0.41、0.33、0.52、0.49、0.56(P值均<0.05)。

讨论  本研究中TDI暴露工人的肺功能低于对照组,且随着暴露浓度的增加,相应的肺功能指标均呈下降趋势。目前关于TDI暴露与肺功能指标的人群研究的报道较少,但既往的动物实验结果与本研究结论基本一致。Karol[8]发现当大鼠暴露于TDI气体时,不同浓度所呈现反应效应不同,暴露浓度低于0.12 mg/L时未发现明显气道高反应,而当TDI气体量高于2 mg/L,所有动物均出现呼吸道高敏感症状表现;Kouadio等[9]的动物实验也发现在TDI气体浓度为0.41 mg/L时,豚鼠出现明显的刺激反应(打喷嚏),当浓度达到1.14 mg/L时,则表现出以喘息、口呼吸、焦虑等更严重的呼吸系统症状。结合目前TDI在职业人群中所造成的危害可以得知,TDI的持续暴露会引起接触者肺功能的下降,而肺功能的改变会随着暴露浓度的增加逐渐演变为更加明显的呼吸道症状。
        目前普遍认为TDI所致肺功能改变与肺部炎症有关,本研究发现TDI暴露人群血清炎性细胞因子水平明显下降,且与肺功能指标具有明显的相关性。然而动物实验研究发现,肺部的炎性因子水平随着TDI暴露情况的加重和肺功能的降低而呈现上升趋势[10]。在排除人与动物的种属差异因素之后,血清炎性因子和肺部炎性因子差异可能是由于产生机制不同所致。肺部炎性细胞因子多由肺支气管上皮细胞分泌产生[11],Kim等[12]通过动物实验研究发现,TDI作用于肺上皮细胞使其中的瞬时受体电位M型(transient receptor potential mela statin 8,TRPM8)得到激活,进而促使其分泌IL-1、IL-6、IL-8和TNF-α炎性细胞因子;而这些肺部炎性细胞因子可以引起肺部中性粒细胞的聚集和浸润,从而影响平滑肌细胞,导致支气管重塑并引发气道炎症,最终造成肺的通气功能和容积功能下降[13]。因此,在动物实验中检测肺泡灌洗液时可发现TDI暴露水平高以及肺功能水平较差的个体存在肺部炎性细胞因子升高的现象。但是与肺部不同,血清中以IL-8和TNF-α为代表的炎性细胞因子多来源于单核-巨噬细胞[14],当TDI暴露在肺部引发炎性反应时,会募集外周血中单核-巨噬细胞到达肺组织[15],因此,肺部IL-8和TNF-α等细胞因子表现出上升趋势的同时,血清中会因缺少单核-巨噬细胞而表现出细胞因子水平的相对降低。目前有关肺部靶组织和血清炎性细胞因子变化不一致的机制研究暂无更确切结论,未来可以通过检测TDI职业暴露者外周血单核-巨噬细胞水平来进一步验证上述推论。虽然如此,本研究发现的TDI作业工人血清中细胞因子水平的显著变化以及与肺功能之间的相关性,仍提示以血液作为替代靶组织检测TDI致呼吸系统毒作用的可行性。
        本研究的局限性:研究样本量较小。虽然研究结果显示血清中TNF-α、IL-8的水平与肺功能指标FVC、FEV1、FEV1/FVC均呈正相关,但其rs较小,相关性大多为中等相关;且TDI暴露工人虽然肺功能下降,但均在临床正常值范围,是否存在健康工人效应不清楚。因此研究结果尚需扩大样本量进行验证,尤其开展队列研究将会进一步验证以血液作为替代靶组织的有效性。
        综上,本研究通过检测TDI职业暴露人群的肺功能和血清细胞因子水平,发现了血清中IL-8和TNF-α的改变与TDI所致肺功能变化的相关性,以及以血液作为替代靶组织开展研究的可行性,为进一步探究炎性细胞因子在TDI所致肺部损伤中的作用机制提供了实验依据。

参考文献
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