黑肺病或肺炎最近在弗吉尼亚州的某些地区大幅增加，西弗吉尼亚州和肯塔基州的某些地区，在十年或更多年前，可偏见的煤层现在比较狭窄。以前已经确定了矿工呼吸的煤矿粉尘含有煤和二氧化硅的岩石灰尘。煤矿粉尘导致这些相对较小的矿工肺部的大部分毒性具有更高浓度的二氧化硅粉尘，表明比对人肺的煤粉尘更大的毒性。污染上述煤矿粉尘较高浓度的硅胶浓度的可能原因是使用新的高效采矿机械，导致煤和二氧化硅灰尘的更大生产，因为采矿窄煤层的特异性较小。煤炭公司使用水喷雾来防止较大量的可吸入灰尘，并使用较高体积的新鲜空气进行稀释，但两种方法都没有有效地降低了二氧化硅到煤尘比。已经表明，新鲜切割的二氧化硅比老年二氧化硅灰尘更具毒性。新骨折的二氧化硅表面产生比老年二氧化硅更自由基。然而，任一种二氧化硅可以产生急性和慢性炎症，使肺部永久损伤。当二氧化硅进入肺部深，它被吞噬细胞吞噬，导致炎症和肺损伤和疾病的完整光谱，如果暴露延长。过滤面罩可以有效，但造成呼吸困难。 Methods have been developed to detoxify the silica particles, but they have not been used in mines. It is very difficult to treat silicosis, but Chinese physicians have developed an effective whole lung lavage system to remove silica from the lungs and have reported important improvement in lung function.

黑肺病，矽肺病，肺部损伤，急性和慢性炎症，癌症。

黑肺病或肺炎最近在弗吉尼亚州的某些地区大幅增加，西弗吉尼亚州和肯塔基州的某些地区，在十年或更多年前，可偏见的煤层现在比较狭窄。以前已经确定了矿工呼吸的煤矿粉尘含有煤和二氧化硅的岩石灰尘。煤矿粉尘导致这些相对较小的矿工肺部的大部分毒性具有更高浓度的二氧化硅粉尘，表明比对人肺的煤粉尘更大的毒性。污染上述煤矿粉尘较高浓度的硅胶浓度的可能原因是使用新的高效采矿机械，导致煤和二氧化硅灰尘的更大生产，因为采矿窄煤层的特异性较小。煤炭公司使用水喷雾来防止较大量的可吸入灰尘，并使用较高体积的新鲜空气进行稀释，但两种方法都没有有效地降低了二氧化硅到煤尘比。已经表明，新鲜切割的二氧化硅比老年二氧化硅灰尘更具毒性。新骨折的二氧化硅表面产生比老年二氧化硅更自由基。然而，任一种二氧化硅可以产生急性和慢性炎症，使肺部永久损伤。当二氧化硅进入肺部深，它被吞噬细胞吞噬，导致炎症和肺损伤和疾病的完整光谱，如果暴露延长。过滤面罩可以有效，但造成呼吸困难。 Methods have been developed to detoxify the silica particles, but they have not been used in mines. It is very difficult to treat silicosis, but Chinese physicians have developed an effective whole lung lavage system to remove silica from the lungs and have reported important improvement in lung function.

黑肺病，矽肺病，肺部损伤，急性和慢性炎症，癌症。

矿工从地表或地下矿井呼吸空气，经过一系列年，可能会发展成急性、慢性和大量肺部炎症性疾病，呼吸变得困难[1,2]。肺可发展成矽肺、支气管炎、癌症和系统性自身免疫性疾病，如狼疮和类风湿性关节炎。事实上，大多数微粒引起的肺损伤源于吸入直径小于10微米的可吸入微粒。最近纳米颗粒也被认为是罪魁祸首。这些粉尘大部分来自煤炭本身，是在开采过程中产生的。然而，采矿设备经常接触并破碎岩石，从而产生沙子等颗粒，称为二氧化硅或化学二氧化硅（二氧化硅）。SiO2通常以α石英的形式存在于自然界中，α石英是一种晶体结构，中心四面体共享其所有四个角氧原子；两个面心四面体共用两个角氧原子；四个边心四面体与其他SiO4四面体只共享一个氧原子。这使得七个SiO4四面体的24个顶点中有12个顶点的净电荷被认为是二氧化硅单元的一部分。众所周知，二氧化硅颗粒显示负电荷，具有可测量的zeta电位[3]。当矿工吸入含有二氧化硅颗粒的煤尘时，它会沿呼吸道沉积。人体对沉积在肺泡深处的微粒的防御是中性粒细胞和巨噬细胞。这两种细胞都会吞噬外来颗粒，并将它们带到呼吸道的粘液纤毛自动扶梯进行清除。当煤尘或硅尘的肺负荷较高时，这些吞噬细胞被激活/损坏，并释放介质和酶，从而进一步损坏肺细胞。这些炎症介质将更多的巨噬细胞和其他吞噬细胞募集到肺泡腔，这个过程重复多次，直到发生持续/进行性炎症和肺损伤，从而触发成纤维细胞产生纤维化病变。最初，细胞被激活为急性炎症，在一系列的周或月后，慢性炎症发生。急性炎症可以用抗炎类固醇控制，但这些药物在慢性状态下无效。

煤矿工人肺损伤的一个主要部分是煤矿工人尘肺，其特征是病变称为煤斑和煤结节[3,4]。如果矿工也接触到结晶二氧化硅，则可能导致矽肺[4,5]。矽肺以纤维化或疤痕为特征，可导致肺泡壁增厚和氧向肺毛细血管输送减少。随着矽肺的进展，矽肺结节，即螺旋纤维病变，变得明显[5]，发生在疾病的晚期慢性形式。（表1和表2）。图1显示，在1970年代早期，随着煤矿粉尘的调节，进行性大面积纤维化的发生率降低至2 mg/m2。然而，最近注意到进行性大面积纤维化的惊人增加（图2）。地下采矿和露天采矿在美国和其他国家也是非常危险的职业[6]。2016年，Blackley等人[7]报告说，肯塔基州和弗吉尼亚州的矿工出现了进行性大规模纤维化（PMF）。他们发现11200名矿工中有416名患有PMF，其中3.7%患有这种不可逆疾病（图3和图4）。PMF是一种形成更快且非常危险的肺部疾病，在这种疾病中，肺部会出现大量纤维化（疤痕）。这是最严重的黑肺病，实际上会导致肺体积缩小，并对邻近肺组织造成损害，导致呼吸困难和气体交换减少。矿工们每天工作很长时间，每周工作很多天。最近的趋势是，这种巨大的纤维化可能发生在短短5年的地下开采。这种巨大的纤维化疾病在弗吉尼亚州、西弗吉尼亚州和肯塔基州的某些矿井中发生的程度更大，但也可能发生在地表矿井中。为什么会出现这些PMF热点？Werntz和Allen[8]提出，该地区的煤矿存在多种因素。例如，许多老煤矿正在切割“低煤”煤层，这意味着煤层窄至32-36英寸。当新的连续采矿（高机器）从这些煤层中切割煤炭时，它们会移除煤层附近12-16英寸的砂岩。砂岩中的硅尘与该过程产生的煤尘混合。配备喷水装置的采矿机确实可以降低空气中的粉尘水平。然而，切割大量砂岩会产生大量可吸入的硅尘，而且硅尘通常很难控制在政府标准的范围内，因为较新的采煤机比较旧的采煤机切割煤炭或岩石更快，因此每次产生的有毒粉尘也更多。

现在表明，该地区煤矿工商肺病的快速发作和进展是由于吸入较高浓度的二氧化硅粉尘[9]。用于预防由煤矿粉尘引起的肺病的主要方法是限制工人吸入的空气中的灰尘水平。矿井安全和健康管理（MSHA）最近，煤矿粉尘的联邦煤矿粉尘的限制从每立方米/立方米的每立方米下降至1.5毫克。该颗粒的次要变化比以前的25％少，但如果某些小学颗粒的二氧化硅颗粒与煤颗粒的比例较高，则可能实际上高于预测。很明显，需要减少吸入二氧化硅的量。

当然，一个简单的答案是使用几家公司生产的纤维口罩，这种口罩可以紧贴鼻子和嘴巴，可以将吸入的小颗粒浓度降低95%以上。此外，这些掩模可以带正电，这样它们就能更有效地捕捉带负电的二氧化硅。当口罩被灰尘堵塞时，可以用粘在脸上的类似口罩替换。然而，大多数矿工认为这种口罩不舒服，通常不会经常使用。

有固定在头部的正气压过滤式呼吸器头盔，由皮带上的外部电池供电。安装在头部装置上的风扇从矿井中吸入空气并对其进行过滤以去除颗粒，然后将过滤后的空气吹入一个部分覆盖佩戴者呼吸面部的透明滤网。这种透明面罩在面部周围弯曲，过滤后的空气从装置顶部降下，过滤器在顶部。该设备看起来有点像焊工的头盔，但重量可以很轻。主要的优点是呼吸不会受到影响，流动的清洁空气也能使面部凉爽。这将使佩戴这种个人防护装置更加舒适。外科医生使用这种口罩。缺点是，这些积极的空气过滤口罩要昂贵得多。

刚从石英或砂岩中切割出来的二氧化硅颗粒会产生自由基或表面带有未配对电子的物质[10]。硅氧自由基在裂解面上的表现如图5所示。如果将新切割或研磨的二氧化硅颗粒放入一个测量蓝光的闪烁瓶和计数器中，[11]每分钟可以观察到相当数量的计数，在大鼠肺部暴露于新鲜断裂的二氧化硅颗粒和老化二氧化硅颗粒后进行的各种动物研究清楚地表明，新鲜二氧化硅比类似大小的老化二氧化硅颗粒更具毒性[12,13]。图4和图5解释了接触粉尘的图示顺序、二氧化硅激活的慢性、急性和慢性炎症的后果和循环性质。

众所周知，研究人员在研究玻璃容器中的血小板时发现，这些血小板粘附在玻璃表面，从而激活血小板凝块。为了防止这种情况的发生，研究人员发现，如果玻璃预先涂上液态四甲基硅烷(TMS)或四甲基硅烷28 (Prosil 28)，血小板不会粘附在玻璃表面，因为二氧化硅或玻璃表面有化学涂层。由于二氧化硅是玻璃的一种形式，因此，如果你用TMS包覆二氧化硅颗粒，它们的毒性可能会更小。这个反应需要热量才能有效。在煤的钻探或切割过程中，邻近的石英或石英矿床也被切割。由于钻孔或切割过程产生摩擦，从而产生热量，煤和硅尘的雾化变得温暖。当连续的采矿设备从这两种矿物中产生粉尘时，粉尘被水雾浸湿，水雾也会被钻头摩擦加热。如果TMS能加入水中，它就能覆盖二氧化硅。一旦二氧化硅表面被TMS覆盖，并与图6的二氧化硅进行化学结合，我们的实验室已经表明，通过涂覆Prosil 28(一种有机硅烷[14])，二氧化硅的毒性大大降低。

此外，新的水和有机可溶硅烷目前正在生产，有效地覆盖在二氧化硅颗粒的表面。Christina Ziemann等人最近在《工作暴露与健康年鉴》2017年[15]上发表的一篇文章中，使用了[14]以上类似的概念，但使用了两种不同的有机硅烷——王朝烷(PTMO)和王朝烷SIVO 160，将二氧化硅颗粒作为一种共价涂层用于陶瓷生产。这种由二氧化硅和硅酸盐组成的有机硅烷涂层可以在不影响产品质量的前提下，使陶瓷生产更加安全。在人工肺泡和溶酶体液体中测量涂层效果，然后分析，发现至少稳定一周。用工业相关石英Q1作为呼吸硅模型，石英DQ12作为阳性对照，对这些颗粒进行体外分析。他们使用原代大鼠肺泡巨噬细胞作为他们的细胞模型——75微克/立方厘米暴露，在37℃±乳酸铝下孵育4小时，以验证石英相关效应。毒性测定采用巨噬细胞乳酸脱氢酶(LDH)释放和DNA链断裂诱导，碱性彗星试验作为生物毒性终点。他们的研究结果表明，王家兰SIVO 160 (0.2% w/w的石英)，与水高度相容，与二氧化硅化学反应最活跃，最有效地抑制生物活性石英(二氧化硅)物种的毒性，而不干扰陶瓷产品的工艺质量。他们的二氧化硅有机硅涂层在体外和体内研究都是有效的。这些作者得出结论，共价石英(二氧化硅)有机硅涂层可能代表了一个有希望的策略，以增加工人的安全，在传统的陶瓷行业，我们建议可能在其他行业，硅气硅化发生。 But we do not know the toxicity of the organosilane coating of silica in man.

在来自我们实验室的一系列实验中，大鼠被麻醉，它们的肺部通过腹腔内滴注到悬浮在盐水中的二氧化硅。24小时暴露于二氧化硅后，洗脱肺的内容物，并测量它们的细胞含量[16]。此外，评估一氧化氮相关的鲁米醇依赖性发光激活作为肺部氧化应激的量度[17]。在二氧化硅处理后24小时后，通过该过氧硝酸盐发光氧化应激增加了10倍。将该组二氧化硅处理的细胞与来自动物的细胞与没有二氧化硅的动物进行比较。当在肺中发生急性炎症时，与对照细胞相比，快速刺激过氧硝酸盐发光并最刺激。

这种依赖鲁米诺的蓝光由过氧亚硝酸盐发出，过氧亚硝酸盐由一氧化氮（N=O）通过被称为一氧化氮合酶2（诱导型NOS2）的巨噬细胞酶的诱导产生，Blackford等人证明了这一点。[17]此外，超氧物与等量的产生过亚硝酸根的一氧化氮自由基反应，后者可与产生过亚硝酸根碳酸盐的二氧化碳反应。这是导致R-SH的酚类物质和巯基的主要氧化剂和硝化剂→不可能发生。一旦形成过氧亚硝酸盐，它很可能与二氧化碳发生反应，形成碳酸盐，碳酸盐是一种可能导致氧化和刺激硝化的化学物质，能够对DNA、RNA、蛋白质和脂质产生重大损害[18]。过氧亚硝酸盐或其碳酸盐衍生物的增加发生在二氧化硅进入肺部的几个小时内，这是一个令人惊讶的剧毒反应。如果用来自天真大鼠的巨噬细胞研究该反应，然后在体外暴露于含有鲁米诺的二氧化硅中，则很少注意到背景上的发光。这表明，动物或人类肺部内的二氧化硅暴露实际上需要通过体内诱导过程激活一氧化氮合酶2以产生足够的一氧化氮，这可以通过滴注或吸入二氧化硅来模拟[19]。

为了理解这一观察结果，一旦通过吸入或滴注将二氧化硅置于动物的肺内，体内诱导一氧化氮合酶2的发生相当快。如果在注入二氧化硅后立即将地塞米松注射到动物体内，则不会出现过氧亚硝酸盐发光增加10倍的情况（如单独使用二氧化硅和鲁米诺观察到的情况）。地塞米松抑制核因子κb转录因子[21]，该转录因子通过组蛋白去乙酰化酶2刺激组蛋白的去乙酰化。这导致组蛋白带正电荷并与DNA结合，从而停止炎症蛋白的转录，从而终止急性炎症。这一观察结果最初由彼得·巴恩斯教授提出[22]。有一个临床上重要的病例报告，其中一名露天煤矿的凿岩工接触到非常高剂量的硅尘。他接受了抗炎类固醇治疗，这被认为是有效的，让他呼吸相当正常。然而，负责的医生担心持续大剂量服用这些类固醇的影响，因此他最终退出了这些药物。病情又恢复了，很快他又出现了严重的呼吸困难。此后不久，他去世了。这一临床观察的可能依据是，最初他患有吸入二氧化硅引起的急性炎症。一旦使用类固醇，肺部的急性炎症就会受到抑制。然而，由于硅石没有被去除，类固醇治疗结束，疾病状态进入慢性状态。慢性炎症性疾病通常对类固醇没有反应，因为持续形成的过量过氧亚硝酸盐通过硝化作用损害组蛋白脱乙酰酶2酶。对于长期存在的黑肺或矽肺病例，临床上不认可抗炎类固醇，因为它们无效。类固醇治疗必须在急性炎症状态下进行，而不是在慢性炎症状态下进行。然而，如果按照中国医生的指导，通过全肺灌洗从肺中去除二氧化硅，类固醇似乎更有效（见讨论）。

肺暴露于二氧化硅可诱导活性氧和氮的产生[17,24]以及炎症和纤维化介质[5]的产生。如图5和6所示，肺泡巨噬细胞和肺上皮细胞的激活明显依赖于硅诱导的细胞内钙和可能的其他储存物的释放。这种钙动员在流式细胞术研究中得到证实，该研究使用的是用钙指示剂印度支那-1-am预处理的分离人中性粒细胞。Indo-1- am是一个不带电的酯化分子，一旦在细胞内去酯化，可以结合从内部储存甚至其他储存的钙，并成为荧光。事实上，二氧化硅激活吞噬细胞已被证明可以调动钙[25]。有趣的是，indo- 1作为内钙螯合剂，可用于阻止二氧化硅诱导的氧化剂释放，表明内钙升高在刺激分泌偶联[26]中的作用。印-1-am预处理实际上可以防止二氧化硅的死亡，因为钙螯合剂印-1可以防止释放的钙引起吞噬细胞的死亡，如图7和8所示。

Leach et al.[27]撰写的一篇文章证明，低剂量γ辐射会在细胞中产生过氧亚硝酸盐，使用INDO- 1-AM可以阻断过氧亚硝酸盐。这些科学家进一步发现，辐射产生的过氧亚硝酸盐造成膜损伤、钙内流和内部钙含量上升，这影响了线粒体通透性过渡孔机制，该机制通常控制线粒体钙浓度，因此钙不会对许多线粒体产生毒性。当过量的内部钙离子通过毒性反应存在时，过渡孔可能超载，线粒体死亡。这导致细胞死亡，因为细胞依赖线粒体提供能量。在慢性炎症的情况下，即二氧化硅/巨噬细胞和暴露在辐射下的人体细胞中，过量的游离内钙似乎都是有毒的。当巨噬细胞死亡时，肺泡巨噬细胞无法从肺中清除二氧化硅，二氧化硅持续存在，随着新的吞噬细胞被招募到空气中，氧化应激、介质释放和肺损伤发生了一个持续的循环。这种慢性死亡和炎症最终导致炎症系统从急性状态变为慢性状态，大量的氧化剂物种被释放，肺上皮细胞的大量病理损伤导致瘢痕，即纤维化。在由二氧化硅引起的急性炎症的早期阶段，抗炎类固醇可以有效地控制二氧化硅引起的急性炎症。然而，当疾病进入慢性阶段时，类固醇就不起作用了——因为在慢性疾病中产生的过量过氧亚硝酸盐破坏了类固醇的作用机制，即。，组蛋白去乙酰化。不幸的是，可供选择的治疗方法很少，二氧化硅肺负担过重的矿工会发展成慢性和进行性纤维化。 In severe cases, lung transplantation may be necessary to continue life. This is because silica and coal dust cause scarring of the lung and the lung eventually cannot exchange oxygen from the air sufficiently to maintain life. Miners can receive transplanted lungs, which can be helpful, but they generally must take anti-rejection drugs for the rest of their life. This creates a weakened immune system with a higher risk of problems with various infectious diseases.

在中国，医生们已经开发出一种全肺灌洗程序，用于治疗因二氧化硅或其他颗粒引起的慢性肺病患者。在这个过程中，用气管内灌注生理液冲洗一半的肺。经过一天的康复，另一半的肺被清洗。使用整个肺灌洗，大量的微粒可以被洗出肺。因此，这种全肺灌洗能有效地大大减轻肺颗粒负担。一旦病人完全康复，类固醇治疗可能是有效的。

如果采矿过程更有选择性地指向煤矿而不是煤和岩石的结合，那么最近PMF的上升可能会停止。这可以通过对该地区的深x射线进行钻探或切割来实现。一旦煤层被清楚地圈定，就可以使用专门的切割设备来更精确地选择煤带。

众所周知，持续接触二氧化硅会在人体中产生连续且大量的过氧亚硝酸盐，这与从急性炎症过渡到慢性炎症有关，因此，一种有效的策略可能是开发一种连续的方法来减少过氧亚硝酸盐的数量。类固醇如果在暴露序列的早期使用是有效的，但可能有更好的过氧亚硝酸盐拮抗剂，不会有这么多的副作用。通过发光筛选方法[29,30-32]检测在鲁米诺衍生物(L-012)存在下的过氧亚硝酸盐，我们筛选了多种可以有效破坏过氧亚硝酸盐和抑制发光的物质，包括单、二和多酚物质。此外，我们发现一些不饱和脂分子很容易被硝化，如生育三烯醇(维生素E)和抗氧化剂，如维生素C可以破坏过氧亚硝酸盐。很可能，许多抗氧化剂或硝化作用的目标物质，但对人体的毒性很小，将是控制过量过氧亚硝酸盐或其碳酸衍生物的很好的候选物质。

由于这是一个小型综述，这是我们自己和许多其他科学家的工作的汇编，结果表明，涉及可呼吸二氧化硅的煤矿开采是导致急性和慢性炎症的主要因素，导致肺的大规模纤维化。新碎的二氧化硅比陈年的二氧化硅毒性更大，可能是因为大量的自由基生成。最初产生毒性的是二氧化硅颗粒的表面，因为当它被涂上四甲基硅烷(Prosil 28)时，对动物肺的大部分毒性都被消除了。为什么像SiO2(沙子)这样看似惰性的物质会产生这样的毒性?这可能是因为一旦这些小二氧化硅颗粒(直径为微米)进入肺泡深处，这些颗粒就会被中性粒细胞和巨噬细胞等细胞吞噬。这释放了这些细胞不同区域储存的钙，激活转录因子NF - kappa b和组蛋白的乙酰化，组蛋白被安排成卷轴状结构，在其上是缠绕的DNA。组蛋白乙酰转移酶(HAT)增加组蛋白上赖氨酸的epsilon氨基的乙酰化。这改变了组蛋白的正电荷，组蛋白与DNA螺旋上的负磷酸盐结合，打开炎症基因，产生各种蛋白质和炎症基因产物。这种急性炎症，如果及早发现，使用抗炎类固醇，可以停止，减少对呼吸的损害。然而，如果在早期不治疗，慢性炎症的结果是不能用类固醇治疗的，因为持续产生的过氧化氢(过氧化亚硝酸盐碳酸盐)破坏了类固醇机制。

大部分对肺部的损害可以通过使用喷水剂和适当的空气通风来预防，或者使用口罩，甚至可以排除95%的灰尘的纤维口罩。工人们发现口罩会造成呼吸困难。然而，对呼吸造成终身损害的危险应作出适当的决定。在大多数疑难矽肺病例中，中国医生已经开发出一种全肺灌洗(洗出程序)，可以有效地从肺中去除大量的二氧化硅。结论是，在NIOSH出版物中已经概述了适当的程序。工人的工作场所产生可呼吸的二氧化硅粉尘颗粒，应由雇主指示遵循这些政府程序，以产生一个安全的工作场所环境。