關(guān)于復(fù)合空氣污染物體外氣液界面毒性研究的進展

2019年2月，來自于中國科學(xué)院國家納米中心、山西大學(xué)環(huán)境與健康研究中心環(huán)境與資源學(xué)院、中國科學(xué)院大學(xué)的多位科學(xué)家在著名的環(huán)境類期刊Chemosphere發(fā)表題為“Complex to simple: In vitro exposure of particulate matter simulated at the air-liquid interface discloses the health impacts of major air pollutants”關(guān)于復(fù)合空氣污染物體外氣液界面毒性研究的進展。

 

 

PM的主要無機成分包括硫酸鹽、硝酸鹽、銨、氯化物和微量金屬（Wang等人，2013年；Han等人，2016年）,其中硫酸鹽對人體健康的危害比其他PM成分更大（Ueda等人，2016年），這些硫酸鹽主要是由人類排放到大氣中的SO2 在一定條件下經(jīng)復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)形成，同時吸附到氣溶膠顆粒表面與其他物質(zhì)一起形成復(fù)雜的協(xié)同毒性作用。二氧化硅（SiO₂）是大氣氣溶膠的主要成分之一，由于其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、比表面積大、毒性相對較低，被用來模擬大氣粒子的核心（Wang等人，2018）。同時，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，二氧化硅納米顆粒的應(yīng)用也越來越廣泛。之前的研究表明，空氣中的二氧化硫可以被吸附到大氣顆粒物的表面（Han等人，2016年）。因此，通過模擬硫酸鹽吸附在SiO₂上形成的氣溶膠，可用于研究空氣污染物的毒性效應(yīng)和健康風(fēng)險。

 

到目前為止，還沒有使用體外模型來研究顆粒物與二氧化硫的協(xié)同毒性作用，主要是由于缺乏合適顆粒物細胞體外暴露的系統(tǒng)。傳統(tǒng)浸沒式暴露實驗設(shè)計中，直接將顆粒添加到細胞培養(yǎng)基中評估顆粒毒性。然而，這些方法有明顯的局限性，其重復(fù)性差、由于聚集而引起的粒徑變化、顆粒與培養(yǎng)基組分（例如白蛋白）的相互作用以及顆粒被培養(yǎng)基溶解（Savi等人，2008年；Fatisson等人，2012年）。此外，吸入顆粒將首先與肺表面活性劑相互作用，后者由上皮II型細胞產(chǎn)生，覆蓋肺泡區(qū)域，以防止肺泡塌陷等功能。表面活性劑涂層可改變吸入顆粒的表面特性和隨后的毒性。傳統(tǒng)的浸沒式暴露法顯然不具備模擬體內(nèi)真實環(huán)境。相比之下，氣-液界面（ALI）模型中，通過在氣-界面處為上皮細胞暴露空氣表面提供一層薄薄的氣道表面液體來真實反映體內(nèi)環(huán)境（Jayaraman等人，2001年）。此外，與浸沒在培養(yǎng)基中生長的細胞相比，氣-液界面生長的上皮細胞具有很好的分化結(jié)構(gòu)和功能（Kameyama等人，2003年）。因此，ALI可以提供與動物吸入非常相似的實驗條件，盡管在其應(yīng)用中仍有許多未解決的問題，即在ALI或所謂的體內(nèi)表面活性劑中粒子與表面液體的相互作用動力學(xué)、粒子的理化變化以及對組成的影響。本研究采用氣液界面(ALI)暴露模型研究HSO₃與SiO₂納米粒子協(xié)同肺毒性，揭示復(fù)合空氣污染物的肺毒性及可能引起的肺部疾病，特別是無機物和納米顆粒復(fù)合污染物的肺毒性具有重要意義。

 

顆粒物（PM）暴露對人體健康有許多不利影響。空氣環(huán)境是一由各種復(fù)雜混合物構(gòu)成的，然而，要厘清其中單個污染物的毒性貢獻是非常有挑戰(zhàn)性的。本研究的目的是使用二氧化硅納米顆粒（SiO₂ NPs）和亞硫酸氫鹽組成的氣溶膠作為模擬粒子相關(guān)的高硫污染物。然后，使用氣-液界面（ALI）的暴露室在細胞水平上評估二氧化硫?qū)�健康的影響。BEAS-2B細胞在氣-液界面（ALI）分別暴露于納米二氧化硅、亞硫酸氫鹽氣溶膠以及涂有亞硫酸氫鹽的二氧化硅（SiO₂-NH₂@HSO₃）氣溶膠中3 小時。根據(jù)暴露劑量比較其對細胞的毒性。二氧化硅納米顆粒（SiO₂NPs）單獨暴露于空氣中不產(chǎn)生明顯的細胞毒性，但涂有亞硫酸氫鹽的二氧化硅（SiO₂-NH₂@HSO₃）氣溶膠暴露顯著降低了細胞活性，并以劑量依賴性方式增強了細胞活性氧的產(chǎn)生。因此，過度的氧化應(yīng)激導(dǎo)致線粒體損傷和細胞凋亡。氣-液界面暴露方法可能反映人體呼吸系統(tǒng)的實際生理暴露狀況。硫酸鹽作為空氣污染二氧化硫的衍生物，加劇了可吸入PMS的毒性作用。這一結(jié)果可能是由于納米顆粒具有大表面積的特性，在氣溶膠暴露期間能夠攜帶更多的亞硫酸鹽并到達靶細胞。硫酸鹽水平為目前的PM2.5空氣污染指數(shù)提供了一個有意義的補充，以實現(xiàn)更好的人類健康防護。

 

本研究所有ALI暴露實驗均在德國CLUTEX RFS COMPACT系統(tǒng)中完成，RFS COMPACT系統(tǒng)內(nèi)可同時進行對照組與實驗組兩組實驗。

 

 

The exposure doses of NM aerosols. The size distributionsof aerosols of (A) SiO2-OH, (C) SiO2-NH2 and (E) SiO2-NH2@HSO3 in the 14.6e661.2 nm particle size range. The mass concentrations ofaerosol particles of (B) SiO2-OH, (D) SiO2-NH2 and (F) SiO2-NH2@HSO3 in the 14.6e661.2 nm particle size range after exposure on BEAS-2Bcells for 3 h at ALI.

 

 

Cellular toxicitiesdetected in BEAS-2B after ALI exposure to various PM aerosols. Cell viability(A) and cell membrane integrity analysis (B) after 3 h exposure. C1 is the ALI exposurecontrol of filteredclean air; C2 is the normal cell control cultured in incubator. The ROS levels(C) and ATP production (D) in BEAS-2B cells after ALI exposure for 3 h and withan extra incubation for 5 h. N =3,Control group is the ALI exposure of filtered clean air. The data represents onecandidate experiment result from at least three independent experiments. *P < 0.05, #P <0.01 vs the indicated groups.

 

 

The live & dead testing results of BEAS-2B cells after exposureto aerosols for 3 h at ALI and extra incubation in ALI chamber for 5 h. Thedata represent the mean of at least three independent experiments normalized tocontrols of ALI. C1 is the ALI exposure control of filtered clean air; C2 is the normal cell controlcultured in incubator. *P <0.05, #P < 0.01 vs the indicated groups.

 

 

 

該研究得到國家科技部、國家自然科學(xué)基金、國家杰出青年科學(xué)基金和中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點研究計劃項目的資助。