關(guān)于復(fù)合空氣污染物體外氣液界面毒性研究的進(jìn)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(jìn)展。

 

 

PM的主要無機(jī)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(xì)胞體外暴露的系統(tǒng)。傳統(tǒng)浸沒式暴露實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，直接將顆粒添加到細(xì)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(xì)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(shí)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(xì)胞暴露空氣表面提供一層薄薄的氣道表面液體來真實(shí)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(xì)胞相比，氣-液界面生長的上皮細(xì)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(shí)驗(yàn)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(jī)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�？諝猸h(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(xiàn)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(xì)胞水平上評估二氧化硫?qū)�健康的影響。BEAS-2B細(xì)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(xì)胞的毒性。二氧化硅納米顆粒（SiO₂NPs）單獨(dú)暴露于空氣中不產(chǎn)生明顯的細(xì)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(xì)胞活性，并以劑量依賴性方式增強(qiáng)了細(xì)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(xì)胞凋亡。氣-液界面暴露方法可能反映人體呼吸系統(tǒng)的實(shí)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(dá)靶細(xì)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(bǔ)充，以實(shí)現(xiàn)更好的人類健康防護(hù)。

 

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

 

 

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(diǎn)研究計(jì)劃項(xiàng)目的資助。