呼吸系统毒理学
呼吸系统毒理学是研究气源性或血源性毒物对呼吸系统损害及其作用机理的一个毒理学分支。
呼吸系统是化学物进入人体的最常见途径。肺是人体与外环境接触面最大的器官，成人肺总表面积近100m2。肺脏包括40多种不同类型的细胞，主要有气管、支气管及肺泡上皮细胞，肺血管内皮细胞，肺泡巨噬细胞，肺泡隔中各种结缔组织细胞等。肺泡上皮细胞有两种类型：Ⅰ型细胞和Ⅱ型细胞。Ⅰ型细胞为扁平鳞状上皮细胞，胞质菲薄并可伸展达50μm左右。它覆盖着绝大部分肺泡表面，气-血屏障就是由Ⅰ型细胞和毛细血管内皮细胞及各自的基底膜组成。Ⅱ型细胞体积较大，易脱落而游离于肺泡腔中。其表面有较多的微绒毛，胞质内含有板层小体。它能合成和分泌表面活性物质，后者的主要成分是二棕榈酸卵磷脂和脂蛋白。表面活性物质能降低肺泡表面张力，使肺泡均匀扩张和维持肺泡毛细血管间正常流体静压差。Ⅱ型细胞又是肺泡细胞更新的来源，当肺泡上皮细胞遭受外源性毒物损害时，它能增殖并分化为Ⅰ型细胞以修复被损害的肺泡上皮。
肺脏不仅是进行气体交换的器官，而且具有活跃的生化功能。除了合成和分泌肺泡表面活性物质外，肺细胞还含有丰富的微粒体混合功能氧化酶系，其活力仅次于肝脏。肺微粒体混合功能氧化酶系可被多种化学物诱导而增强活性，但增强的幅度有很大的个体差异。现知个体对肺癌的易感性与其肺内芳香烃羟化酶的活性以及它可被诱导的程度有关。存在于肺脏的细胞色素P-448对多环芳烃的亲和力比细胞色素P-450强得多，此酶在活化多环芳烃成为终致癌物上起着重要作用。吸烟者的肺癌与肺内细胞色素P-448活性增强有关。
肺泡还是各种来源的蛋白酶和抗蛋白酶相互反应的部位，如肺巨噬细胞中含有蛋白酶，而人的支气管分泌物中含有α1抗胰蛋白酶和大量白细胞弹力蛋白抑制剂，它们间的相互关系与保持肺正常结构和功能密切有关。呼吸道肥大细胞合成和释放的组胺和慢反应物质，是呼吸系统速发超敏反应的化学递质。此外，肺对缓激肽、纤维蛋白溶酶、血管紧张素、5-羟色胺、儿茶酚胺、前列腺素、血管活性胺等的代谢均有密切关系。因此，对肺的非呼吸功能部分的认识在研究呼吸系统毒理学中有重要意义。
在进化过程中呼吸器官由于持续与外源性物质接触而获得一定的防御功能。例如，呼吸道粘液细胞分泌的粘液能吸附和溶解外源性物质； 上皮细胞的纤毛运动能将入侵的固态异物排出体外；肺泡巨噬细胞能吞噬、消化进入肺泡的固态毒物； 肺泡隔中丰富的毛细血管能将毒物吸收、转运至全身，不使它在肺组织内累积。肺内的硒-谷胱甘肽过氧化物酶具有抗过氧化作用，因它以过氧化物作底物，故可减轻毒物通过脂质过氧化作用对生物膜的损害。肺内存在丰富的酶系对外来化学物的生物转化过程（包括解毒或增毒作用）具有相当重要的作用。
肺还可移除循环血中的毒物。挥发性毒物和某些有害气体可经呼气排出体外。由于肺每分钟要接受全身循环血容量1～2次，从其他途径吸收的毒物可随血流到达肺部而引起肺组织损害。这一点对血源性毒物损害肺的作用具有重大意义。
毒物在呼吸道中的吸收部位首先取决于其溶解度。水溶性愈高，在上呼吸道吸收的比例愈大；水溶性愈低，在下呼吸道吸收的比例愈大。脂溶性毒物主要在肺泡内吸收。吸收速度取决于毒物在肺泡壁两侧（肺泡腔和毛细血管腔）的分压差，气体自高分压向低分压方向扩散。气体和挥发性毒物在血液中的分压与肺泡气中的分压达到平衡时，在二相中的浓度(均以mg/l计算)之比称为血/气分配系数。系数值愈大，表示该毒物经肺吸收愈快，但在血中达到饱和所需时间愈长。每一种毒物的血/气分配系数是一常数，例如甲醇为1.7，二硫化碳为5，苯为7.5，甲苯为12.4，乙醚为15，苯乙烯为18.2，丙酮为239。呼吸的深度与频率，肺循环血量与流速以及气象条件等均影响经肺吸收速率。
可经呼吸道吸收的毒物大多可直接对呼吸系统产生毒作用。其损害性质和程度取决于毒物的理化特性等因素。例如，许多刺激腐蚀性气体可作用于呼吸道各个部位，视其溶解度、浓度、吸入速率而定，如氨可引起鼻咽刺激、气管支气管炎，乃至化学性肺炎和肺水肿。当吸入高浓度刺激腐蚀性气体如氯或二氧化硫等时，还可能引起反射性声门痉挛而致窒息。
有些化学物进入机体后，可转化为自由基，后者与生物膜上的不饱和脂肪酸发生过氧化反应，破坏了生物膜的正常结构，这种作用方式称为脂类过氧化。如臭氧(O3)在酶的作用下，形成HO3-自由基。HO3-自由基催化生物膜上多种不饱和脂肪酸发生过氧化反应，形成脂肪酸臭氧化物。后者对生物膜上的不饱和脂肪酸产生过氧化反应的能力比臭氧更强，因而破坏了生物膜正常结构，导致细胞的变性或死亡。氮氧化物的毒作用也是干扰脂质代谢，使表面活性物质发生过氧化反应，以致由卵磷脂分解出来的棕榈酸不能重新合成新的卵磷脂。在多种类型的急性或慢性肺损害的发病中，脂质过氧化反应起着重要作用。
毒物对呼吸系统的急性毒作用如下：
(1) 粘膜刺激作用： 当吸入少量水溶性刺激性气体时，主要引起上呼吸道刺激症状，发生短暂的粘膜充血和分泌物增多。当吸入多量时，则进一步引起化学性气管支气管炎。
(2) 中毒性肺损伤： 水溶性较低的气体，如光气、氮氧化物等，易进入肺泡而损害上皮细胞，使之肿胀变性、崩溃，并从基底膜上脱落，同时产生炎症反应。化学性肺炎与一般临床所见的肺炎相似，但呼吸困难和毒性症状较显著。
近年的临床及实验研究发现吸入氧化性气体(臭氧、氮氧化物、纯氧)、碳化钨、百草枯、硅尘以及长期应用止咳药必嗽平、抗癌药博莱霉素、抗组织胺药、氯丙嗪、抑制胆固醇的生物制剂triparanol等可以引起人或动物肺的损害，其特征是肺泡上皮细胞损伤，Ⅱ型肺泡上皮增生，和肺组织内类脂质过多。这时肺泡表面被大量Ⅱ型肺泡上皮所覆盖，肺泡腔中可见到很多肿胀、脱落的细胞，间质中有炎症细胞浸润，形成所谓脱屑性间质性肺炎。大量增生的Ⅱ型细胞覆盖了肺泡表面，使气-血屏障增厚，就会严重地影响肺泡与毛细血管间的气体交换，形成所谓成年人呼吸困难综合征。特别是一些具有双相结构的药物，能与Ⅱ型上皮细胞合成的磷脂结合，改变磷脂的正常结构和排泄，使之在肺部沉积，造成肺磷脂质症。吞噬了磷脂的泡沫细胞在肺泡中大量堆积，使肺功能降低。
(3) 急性肺水肿： 大量吸入水溶性小的刺激性气体如光气、氮氧化物、溴甲烷、臭氧等，或吸入极高浓度水溶性大的刺激性气体如氯、氨、二氧化硫等，都可引起肺水肿。主要由于毒物使肺泡和毛细血管通透性增加，交感神经兴奋，导致右总淋巴管痉挛，影响毛细血管滤出液回流；缺氧又可使毛细血管痉挛，增加其压力。这些因素导致大量血浆成分渗入肺泡隔和肺泡中。甘薯霉烂后能生成薯萜醇一类化合物，经口摄入可在肺中浓集，也能引起间质性肺炎和肺水肿。
(4) 变应性哮喘： 吸入某些变应原，可使浆细胞产生反应素IgE，吸附于肥大细胞上。当机体再次接触变应原时，它和肥大细胞表面的抗体结合，引起脱颗粒反应，产生速发型变应性哮喘。过敏体质及支气管平滑肌β受体功能低下者易发生此病。
此外，一些具有半抗原性质的化学物进入细胞内，与特异蛋白质结合，形成具有抗原性质的变性蛋白。此种变性蛋白对作用部位的刺激可产生致敏淋巴细胞。当机体再次接触同类化学物时，致敏淋巴细胞释放各种淋巴因子，引起迟发型变应性哮喘。
能诱发变应性呼吸道疾病的物质有：某些有机粉尘(黄麻、红柏木屑等)、铍尘、霉菌孢子（如嗜热小多芽孢杆菌等）以及乙二胺、三乙二胺、间苯二酚、异氰酸酯等。
毒物对呼吸系统的慢性毒作用如下：
(1) 减弱呼吸道防御功能： 吸入各种低浓度的刺激性气体及有害烟尘（例如烟草）时，由于长期慢性刺激可使粘膜杯状细胞分泌增加，粘液层变厚，粘度增加； 上皮细胞纤毛运动受阻，严重时可致大量纤毛脱落，使正常上皮为复层鳞状上皮所代替，失去正常功能。烟尘等污染物通常在正常呼吸道潴留1～6小时(视侵入深度而定，肺泡除外)即被排出。上呼吸道防御功能低下时，污染物在呼吸道潴留的时间增加数倍，其危害作用也相应增加。
终末细支气管壁上的非纤毛细胞(Clara细胞)具有分泌功能，能迅速合成大量二棕榈酸卵磷脂。它与表面活性物质的合成有关。在纤毛细胞损伤和死亡后，它能分裂、分化为纤毛细胞。它常易受氧化性气体损伤。近年研究指出，严重吸烟者Clara细胞减少，甚至消失。
(2) 慢性支气管炎-肺气肿综合征： 长期吸入低浓度刺激性气体时，在呼吸道防御功能减弱的基础上，易并发慢性支气管炎，进而发展为肺气肿。吸烟，生活在大气污染严重地区，以及在生产环境中吸入二氧化氮、二氧化硫、氧化镉或镉化合物粉尘都可引起慢性支气管炎和肺气肿。引起肺气肿的原因除呼吸道局部机械阻塞，炎症性损害以及自身免疫引起的微循环障碍等因素外，近年来研究得较多，而且受到重视的是一种遗传性抗α1抗胰蛋白酶缺陷症与肺气肿发病的关系。由于遗传性新陈代谢的原因，个体的酶诱导水平不同，先天性抗α1抗胰蛋白酶缺陷者，抗衡肺泡巨噬细胞或血细胞破坏后所释放的弹力纤维酶和组织蛋白酶的能力降低。因此，即使接触极微量的肺毒物，肺泡结构的网状纤维和弹力纤维也易受破坏，易发生早年性肺气肿。
(3) 肺纤维化： 吸入某些有机粉尘（如霉变的谷草）和无机粉尘（如矽尘）以及某些化学物(如某些有机氟气体，铍及其化合物等)，可导致肺细胞增生性反应，最终形成肺纤维化。长期吸入铍及其化合物可在弥漫性间质纤维化的基础上形成肉芽肿。
(4) 致癌作用： 见“化学物致癌作用”。
呼吸系统毒理学的研究方法，除经典的方法外，新发展的有： 电镜技术、放射性同位素技术、细胞生物学技术、离体及活体生物化学技术、免疫技术、流行病学方法等，综合地应用于研究化学性肺损伤。
电镜技术有助于识别各种类型肺细胞和组织损害的微细变化； 用放射自显影法可了解活体内损伤后组织的更新；细胞学方法用于在离体条件下研究毒物作用的机理；生物化学方法可揭示肺细胞损伤和修复的机理。由于肺脏是一个多细胞成分的器官，用肺切片、肺匀浆、肺组织抽提物或肺灌注液所获得的实验资料常不能显示某一细胞群的受损情况。因此必须从肺组织中分离出各细胞系或游离的酶系，分别进行细胞功能和生化指标的测定。例如，肺表面活性物质的形态和功能就是通过Ⅱ型肺泡上皮细胞的分离、细胞培养、同位素放射自显影和生化等方法来研究的。
化学性损伤后，胶原生物合成是肺组织慢性修复或慢性适应的一种表现。目前已有完善的方法可用于研究肺胶原合成过程及其有关组分，并证明在呼吸道不同部位(气管、支气管和肺泡管)胶原链的结构各有特点。
生物化学方法也应用于肺组织对外源性毒物生物转化的动力学研究，免疫荧光技术已用于识别肺特异性外源性抗原和肺泡壁的组分。