基于扫描电化学显微镜技术研究镉系污染物氧化应激毒性作用

Fine particulate matter is the primary pollutant of air pollution in many cities. It is easy to enter the alveoli and blood with the breath, resulting in the damage of healthy. Heavy metals are the main harmful components of fine particulate matter. Cadmium is not degraded and can be accumulated in organisms. The biological toxicity of cadmium has been gained extensive attention by researchers for a long time. However, the current methods mostly rely on the animal experimental technology. It is lack of in-depth exploration and effective methods. For further reveal and understand fully the toxic mechanism of cadmium pollutants, it is necessary to detect sensitively the biomarkers of toxicity and to extend the methodology of its toxicity study. .The oxidative stress toxicity of cadmium pollutants will be investigated using the scanning electrochemical microscopy technology. The effect of cell will be indicated through electrochemical imaging with a high spatial and temporal resolution under the conditions of stimulation of different cadmium. The production of reactive oxygen and nitrogen species(ROS and RNS) induced by cadmium pollutants will be detected in situ. Implicated microRNAs changes will be identified and quantified. The interaction between ROS/RNS and relative microRNA will be determined. This topic is of great significance for the comprehensive understanding of the biological toxicity of heavy metal cadmium. It will provide a new way to study the toxicity effect of heavy metals.

细颗粒物是城市大气污染的首要污染物，随呼吸进入人体，使危害几率明显升高。重金属是细颗粒物的主要有害成分，其中镉呼吸摄入后，易吸收且不被降解，在生物体内不断富集，产生重大损害。有关镉的生物毒性长期以来一直受到研究者的广泛关注。但已有的研究方法大都依赖于动物整体实验技术，缺乏进一步的深入探究和有效方法。为更精确揭示和全面了解镉系污染物的毒性作用，需要灵敏检测、分析毒性作用的生物标志物及扩展其毒性研究的方法学。本研究以镉系污染物为研究对象，利用扫描电化学显微镜技术构建镉系污染物氧化应激毒性作用研究平台，通过电化学成像考察不同化学形态的镉对细胞活性的影响。原位检测活性氧、氮物质（ROS、RNS），分析染毒前后相关microRNA的变化，确定镉系污染物氧化应激毒性作用及其与相关microRNA的交互作用。本课题对全面理解重金属镉的生物毒性作用具有重要意义，为研究重金属的毒性效应提供一种新的思路。

利用扫描电化学显微镜技术（SECM）和光学显微镜搭建了在单细胞水平上重金属镉氧化应激毒性作用的研究平台，实现了不同阴离子（Cl-,NO3-,SO42-）共存条件下对镉离子氧化应激的影响规律。同时通过考察细胞活性，抗氧化物活性、ATP含量及胞内pH微环境等变化，探究了氧化应激相关生物通路，并进一步探究了三种涉及细胞氧化应激通路的分子（抗坏血酸 (AsA)、氯化锌(ZnCl2)和钙离子螯合剂 BAPTA-AM）对镉诱导氧化应激的作用效果，其次还较系统研究了重金属镉对细胞膜通透性的影响，以更全面的厘清镉的毒性机制，以期为探寻缓解和治疗镉污染造成的危害、病变。主要得出以下结果：（1）在CdCl2 和Cd(NO3)2 的分别刺激下，MCF-7 细胞的 ROS 释放具有相似的浓度和时间依赖性。当 CdCl2 和 Cd(NO3)2 共同孵育时，细胞 ROS 产生越少。机理可能是硝酸盐可以被还原为亚硝酸盐，进而抑制镉诱导的氧化应激。（2）CdSO4 和 CdCl2 诱导细胞发生氧化应激程度相似， CdSO4 更易于破坏细胞内酸碱平衡，造成胞内氧化还原状态突变，其可能与 SO42-被还原消耗 ATP 有关。（3）Cd(II) 引起细胞膜通透性增加与其诱导的细胞凋亡和细胞骨架中肌动蛋白聚合的破坏密切相关。