PM 2.5对微流控芯片模拟人呼吸及心血管系统的细胞毒性机制研究

PM2.5 can cause a variety of respiratory and cardiovascular system diseases. Study of toxic mechanism on the cellular level has important significance for the diagnosis and treatment of disease, harm and governance of pollutants.Traditional cell culture can only provide static, macroscopic, two-dimensional cell growth environment, the results in vitro are a far cry from the actual situation. The cell culture based microfluidics can provide the controllable reproduction of cellular microenvironment in vitro. In this study , a microfluidcs chip which can simulate internal microenvironment and be used for cell-PM2.5 pollution stimulation will be fabricated. The chip has concentration gradient mixture module in upstream and downstream cell culture module by perfusion. cell culture, gradient concentrations of PM2.5 , cell labeling, immunoassay modules are integrated on one chip to achieve multi-factor, multi-parameter analysis of cell toxicity such as cell viability, radical toxicity, inflammatory damage. It will reveal the toxic mechanism of cells induced by PM2.5. And it is a tentative break through on highly integrated, high-throughput, multi-dose contaminant complex analysis at the cellular level. It is high efficiency, low cost, less pollution, easy to repeat and provides Solutions for diagnosis and treatment of related diseases. It has profound significance on environmental pollution, public health and medical research.

PM2.5能够引发多种呼吸及心血管系统疾病。细胞水平上的毒性机制研究对于疾病的诊断与治疗、污染物的危害与治理等具有重要的意义。而传统的细胞培养只能提供静态的、宏观的、二维的细胞生长环境，使体外研究结果与实际情况相差甚远。基于微流控的细胞培养技术能够在体外实现细胞微环境的可控再现。本研究设计制备一种可模拟体内微环境的、用于细胞-PM2.5污染刺激反应研究的微流控芯片。该芯片具有上游混合浓度梯度模块和下游细胞培养模块，采用灌流培养方式，通过细胞培养、梯度浓度PM2.5刺激和细胞标记、免疫检测等模块的集成实现细胞毒性如细胞存活率、自由基毒性、炎性损伤等指标的多因素、多参数分析。初步揭示PM2.5导致的细胞毒性机制。对细胞水平的高度集成、高通量、多剂量污染物复杂分析进行了突破性尝试。效率高、费用低、污染少、易重复，为相关疾病的诊断及治疗提供方案和依据，对环境污染、公共健康和医学研究都具有深刻的意义

PM2.5 可以引发多种呼吸系统、心血管系统疾病甚至癌症。PM2.5毒性组分致病分子机制的研究对于疾病的诊断与治疗、污染物的预防与治理具有重要意义。本研究设计制备了一种整合多浓度PM2.5暴露、细胞培养、多重目标蛋白检测的微流控芯片系统，揭示PM2.5组分与细胞毒性的相互关系。分析了PM2.5组分对细胞质ROS水平、线粒体ROS水平、细胞质钙离子浓度、细胞线粒体膜电位、细胞凋亡率、Keap-1-Nrf2-ARE抗氧化信号通路关键蛋白（Nrf2、NQO1、HO-1）、氧化应激MAPK通路关键蛋白（P-JNK）、炎性通路关键蛋白（NF-κB、IL-1β、TNF-α、IL-6）和PI3K-Akt等癌症相关信号通路上的关键蛋白（Akt1、MDM2、VEGF、FGF14、FGFR和P53）表达的影响。 .结果证实了PM2.5能引发BEAS-2B细胞质和线粒体产生ROS，细胞膜电位下降以及钙离子浓度上升。并提高了细胞的凋亡率（3- 60%）。PM2.5启动了抗氧化信号通路、炎性信号通路、MAPK信号通路以及PI3K-Akt癌症相关信号通路。PM2.5组分分析表明：有机组分和重金属元素是导致细胞毒性的主要原因。特别是OC和细胞质活性氧自由基水平的升高呈显著相关（P-value=0.042）。有机成分Alkane与线粒体活性氧自由基升高显著相关（P-value=0.03）。活性氧自由基被认为是细胞信号传导的第二信使之一，参与凋亡信号通路的转导。金属元素Mg和细胞凋亡率显著相关（P-value=0.047）。重金属元素Mn和细胞质钙离子浓度（P-value=0.041）、p-JNK表达水平（P-value=0.032）、NQO1的表达显著相关（P-value=0.022），说明Mn是参与调控MAPK信号通路和凋亡信号通路的主要组分；重金属元素Ba和Nrf2的表达显著相关（P-value=0.00195），Ca和NQO1的表达显著相关（P-value=0.028），揭示重金属Ba和Ca参与抗氧化损伤信号通路的转导。PM2.5刺激下HaCat细胞中NF-κB和NALP3信号通路被激活，引发细胞炎性反应。.本研究成功的构建微流控系统检测细胞毒性机制平台，检测了49份PM2.5样本,全面分析了PM2.5的22种组分和细胞毒性相关信号通路的关系，为进一步研究雾霾的致病机理奠定了基础。