基于颗粒物模型研究PM2.5氧化应激效应的分子机制

With numerous epidemiological studies, the health effect of atmospheric fine particulate matters (PM2.5) has been well recognized. In some cases,a correlation was observed between the duration of hospitalization of patients with cardiovascular and respiratory problems and the presence of V, Ni, and elementary carbon in PM 2.5. Oxidative stress has emerged as a unifying mechanism underlying PM2.5 toxicities. However, due to the use of complex atmospheric particle samples, the molecular mechanisms, and in particular the chemical components responsible for oxidative stress remain to be resolved. This project will employ synthesized, PAH and metal adsorbed carbon black particles as PM2.5 models to study the mechanisms of PM2.5-induced oxidative stress at molecular, cellular and in vivo levels. We will investigate the chemical and biochemical reactions for the generation of reactive oxygen species (ROS), the biological pathways leading to oxidative stress, and the subsequent patho-physiological responses of oxidative stress. We will identify and quantify the products of atmospheric photochemical reactions and ROS of chemical and biochemical oxidation reactions, determine the distribution of the particles inside cells, and investigate the interactions of the particles with cell membrane receptors, mitochondria and lysosome. By manipulating the chemical composition and quantity of the particle model, it is hoped that the chemical component(s) responsible for PM2.5 oxidative stress will be revealed upon completion of this proposed study.

经过大量的环境流行病学研究，大气细颗粒物PM2.5暴露的健康危害已经得到公认，一些研究还发现心血管、呼吸道病人的住院率与PM2.5中钒、镍和元素碳的含量相关。动物模型和细胞实验发现，氧化应激效应可能是一个比较统一的毒性机制。但是，由于目前研究中采用成分复杂的实际样本，PM2.5产生氧化应激效应的分子机制、特别是产生效应的主要化学成分还不明确。本项目拟制备表面吸附多环芳烃和重金属的碳黑颗粒作为PM2.5的替代模型，围绕氧化应激这一关键毒性效应，从分子、细胞、活体三个层面，研究颗粒物生成ROS的化学和生化反应、诱导氧化应激效应的生物通道、以及氧化应激的活体生理效应，鉴定颗粒物的光化学转化产物和自由基反应产物，明晰颗粒物的细胞分布、与细胞器和膜蛋白的作用等关键生物过程。通过对颗粒物的精准控制与调节，解析每个组份对氧化应激效应的单独影响和协同作用，揭示PM2.5产生氧化应激效应的主要化学成分。

细胞内活性氧物种ROS水平上升产生的氧化应激效应，是目前公认的PM2.5主要毒性效应之一。本项目以ROS为核心，设计、制备模拟PM2.5主要化学成分的模型体系，分别研究模型体系通过化学反应和生物通路生成 ROS 的反应机制，结合PM2.5暴露实验，揭示产生氧化应激效应的关键化学成分和颗粒物的结构-效应关系。我们将多环芳烃吸附在炭黑纳米颗粒表面，并与重金属溶液混合，形成PM2.5模型体系。结果表明，模型体系在细胞培养液中没有ROS检出，说明化学反应产生ROS的途径不存在。不同颗粒物溶液暴露肺上皮细胞后，14nm炭黑(CB14)导致胞内ROS水平呈浓度依赖性增加，而56nm和260nm炭黑（CB56, CB260）没有效应。吸附苯并[a]芘后，CB56和CB260的效应没有变化，但CB14效应显著降低，其中最高吸附量CB14 (CB14/BP)的效应与CB14相似。7种重金属离子对CB14和CB14/BP的ROS水平没有影响。总体而言，小粒径炭黑的效应显著，大粒径炭黑、苯并芘和重金属都没有效应。在巨噬细胞和支气管上皮细胞中得到相似结果：CB14 > CB14/BP >> CB56 > CB260。为探索不同颗粒物产生氧化应激效应差异的原因，首先测定了细胞对颗粒物的摄取量，顺序为CB14 > CB260 > CB56，CB14/BP与CB14相似。该结果与ROS水平不存在相关性。电镜观察显示，颗粒物大部分吸附在细胞膜上，进入细胞的CB14，CB14/BP 主要位于胞质区囊泡中，线粒体嵴受损，但其内部没有颗粒物，提示线粒体可能是颗粒物诱导ROS的作用靶点。CB14和CB14/BP均导致线粒体膜电位下降，线粒体融合／裂变蛋白转录上调。利用特异性抑制剂，发现CB14和CB14/BP破坏了线粒体复合物I，对线粒体复合物III和NOX家族没有影响。超氧化合物清除剂可恢复颗粒物导致的ROS上升和炎症因子IL-6转录的增强。PM2.5实际样本也导致支气管上皮细胞和小鼠肺组织内ROS水平升高，抗氧化酶活性降低，炎症因子的释放量上升。综上所述，小粒径颗粒物能进入细胞，损伤线粒体复合物I，导致胞内ROS增加，IL-6释放量上升。这可能是PM2.5中纳米级颗粒物产生氧化应激效应的机制。项目共发表 SCI 论文38篇，其中IF > 5的21篇，培养研究生19名，超额完成任务。