活性氧物種的生物學(xué)影響：EFPRs的作用

作者：Kalina Ranguelova，Bruker BioSpin高級EPR應(yīng)用科學(xué)家
 
一段時間以來，人們已經(jīng)知道，活性氧物種（ROS，即一種在外軌道上存在一個不成對電子的自由基）會與體內(nèi)的生物分子發(fā)生反應(yīng)，從而刺激炎癥反應(yīng)，并通過氧化應(yīng)激導(dǎo)致細(xì)胞損傷和死亡。ROS誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激被認(rèn)為是許多急、慢性疾病的關(guān)鍵特征，由此激發(fā)了科學(xué)家們對ROS外源性和內(nèi)源性來源的研究興趣越來越濃�？諝庵械奈廴疚�、香煙煙霧和電離輻射是ROS的主要外源性來源，但它們同時也可能來自內(nèi)源性來源，如炎癥細(xì)胞、細(xì)胞代謝或細(xì)胞器損傷。分子可以通過氧化還原反應(yīng)獲得或失去電子，從而產(chǎn)生ROS，如超氧陰離子（O2•–）、過氧化氫（H2O2）和羥基自由基（•OH）。
 
在有機(jī)物質(zhì)燃燒的過程中，各種副產(chǎn)物會與金屬氧化物顆粒物（PM）發(fā)生反應(yīng)，并在其表面形成對環(huán)境具有持久性的自由基（EPFR）。這些自由基可以在空氣中留存數(shù)天至數(shù)周，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其它自由基的留存時間，且能產(chǎn)生穩(wěn)定的ROS流。雖然EPFRs并不是什么新的發(fā)現(xiàn)，但其對人類健康的長期影響才剛開始為人們了解。諸多研究也把重心放在其對心肺健康的影響，其中一些研究表明，EPFR會加劇哮喘和慢性阻塞性肺�。–OPD）等的既有病癥，而且還會影響基本的心肺功能。
 
體內(nèi)ROS

由于ROS的過度生成，進(jìn)入體內(nèi)的EPFR會引發(fā)氧化應(yīng)激狀態(tài)。ROS通常是機(jī)體氧代謝的天然副產(chǎn)物，在細(xì)胞信號傳導(dǎo)和體內(nèi)穩(wěn)態(tài)等生物過程中發(fā)揮重要作用。然而，由內(nèi)源性或外源性自由基引起的氧化應(yīng)激對細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能都會造成極大破壞。有害影響通常由DNA或RNA損傷、脂質(zhì)過氧化、蛋白質(zhì)中氨基酸的氧化或特定酶的氧化失活引起。
 
與氧化應(yīng)激一樣，暴露于外源性ROS（如來自空氣污染物的EPFRs）,可導(dǎo)致上皮細(xì)胞和結(jié)構(gòu)細(xì)胞炎癥。在正反饋回路中，參與炎癥反應(yīng)的白細(xì)胞和巨噬細(xì)胞可以釋放ROS，從而加劇氧化應(yīng)激。•OH自由基是活性最強(qiáng)的ROS之一，可損傷所有類型的大分子。眾所周知，顆粒（PM）污染物富含鐵，引起氧化應(yīng)激，通過H₂O₂（與•OH相比相對穩(wěn)定）與亞鐵（Fe(II)）的芬頓反應(yīng)在肺部生成•OH [1]。
 
肺部和心血管疾病

ROS誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激被認(rèn)為是吸入空氣中PM顆粒導(dǎo)致健康并發(fā)癥的最重要原因之一。ROS可通過多種途徑引起或加劇肺部或心血管病癥。例如，脂質(zhì)過氧化會通過產(chǎn)生丙二醛導(dǎo)致肺部炎癥，丙二醛可使許多細(xì)胞蛋白失活，引起肺泡細(xì)胞壁破壞和肺氣腫的發(fā)展 [1]。這些活性醛類通常被用作呼吸系統(tǒng)疾�。ㄈ鏑OPD和哮喘）中氧化應(yīng)激的生物標(biāo)志物 [2]。COPD還與由免疫細(xì)胞（如巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞）激活導(dǎo)致的ROS釋放有關(guān)。
 
研究表明，許多PM吸入成分可誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，增加炎癥細(xì)胞因子的分泌，并激活肺部的芳香烴受體（AhR）系統(tǒng) [3]。一項研究對EPFR誘導(dǎo)的氧化劑損傷與肺上皮細(xì)胞產(chǎn)生的細(xì)胞因子增加之間的聯(lián)系機(jī)制進(jìn)行了考察。研究人員用亞毒性水平的EPFR處理人類支氣管上皮細(xì)胞，并測量ROS和細(xì)胞因子的產(chǎn)生，結(jié)果表明，EPFR誘導(dǎo)的ROS的產(chǎn)生和氧化應(yīng)激導(dǎo)致生物分子氧化，產(chǎn)生可激活A(yù)hR的小分子代謝物 [4]。這種激活導(dǎo)致CYP1A1（一種氧化劑的產(chǎn)生酶和AhR生物標(biāo)記物）表達(dá)的增加，由此進(jìn)一步刺激細(xì)胞ROS的產(chǎn)生。該研究還得出結(jié)論，鑒于AhR在肺遠(yuǎn)端組織中的廣泛表達(dá)，以及這些代謝物全身循環(huán)的可能性，進(jìn)一步研究它們與心血管疾病的關(guān)聯(lián)機(jī)制，以有其它已知與PM吸入相關(guān)的疾病的聯(lián)系機(jī)制，將是十分有益的。
 
多項研究一致表明，暴露于超細(xì)PM會導(dǎo)致心臟病和心肺疾病的增加 [5]，但很少有研究調(diào)查顆粒物（尤其是EPFR）對心臟基礎(chǔ)功能的影響。相比普通超細(xì)PM，研究人員對與EPFR關(guān)聯(lián)的毒性特征頗有興趣。有研究發(fā)現(xiàn)，與惰性二氧化硅顆粒相比，吸入EPFR模型顆�？娠@著降低健康大鼠的基礎(chǔ)心臟功能，表現(xiàn)為搏出量、心輸出量和搏出功的降低 [6]。同時，舒張末期容積和舒張末期壓力也顯著降低，但心室收縮力和舒張力保持不變。通過測定C反應(yīng)蛋白（CRP），可以發(fā)現(xiàn)，這些EPFR還顯示出全身炎癥的產(chǎn)生以及大鼠左心室氧化應(yīng)激標(biāo)記物的增加。

這些實驗首次表明，短期吸入EPFR可降低大鼠的左心室基礎(chǔ)功能，主要是由于肺血管阻力增加和顆粒介導(dǎo)的肺部炎癥。這類研究正在邁出重要的一步，將進(jìn)一步加深我們對這些長期存在于空氣中的自由基如何危害公共健康的理解。
 
檢測EPFR

檢測空氣中EPFR的能力對于研究空氣污染之于公眾健康的影響至關(guān)重要。電子順磁共振（EPR）波譜學(xué)是一種檢測具有不成對電子的物種的可靠技術(shù)，可在幾秒鐘內(nèi)收集數(shù)據(jù)，以確定物種的身份和定量信息。EPR能夠以非侵入性方式監(jiān)測環(huán)境PM中固有的短壽命自由基（ROS）和長壽命EPFR的生成情況。EPR還可用于確定PM的氧化電位，這對于預(yù)測可能的不良健康影響至關(guān)重要。
 
根據(jù)EPR波譜特征（g因子），EPFR可被識別為O-中心半醌或C-中心多環(huán)芳烴（PAH）自由基。
   
圖1顯示了采用化學(xué)惰性二氧化硅作為基底粒子的替代粒子- EPFR系統(tǒng)的EPR光譜[2]。銅（II）氧化物（Cu(II)O）是過渡金屬氧化物，它可以促進(jìn)EPFR的形成，自由基2-單氯酚(MCP)由于其可以在Cu(II)O表面形成EPFR而被使用。為了更好地了解EPFR金屬氧化物顆粒對人類支氣管上皮細(xì)胞的可能影響，我們對這種自由基顆粒系統(tǒng)（MCP230）進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，由于2-MCP與金屬氧化物之間的電子轉(zhuǎn)移，形成兩個順磁中心。該研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，MCP230比CuO /二氧化硅暴露時間長，對支氣管上皮細(xì)胞的毒性更強(qiáng)，這與更大的氧化應(yīng)激和脂質(zhì)過氧化有關(guān)。

EPFR也可以形成并存在于土壤。土壤中含有的過渡金屬可引發(fā)與空氣中同類物質(zhì)的芬頓反應(yīng)，從而產(chǎn)生ROS。含有EPFRs的受污染土壤會以粉塵的形式飄散于空氣中，導(dǎo)致吸入性接觸，從而對健康造成不利影響。用于檢測、監(jiān)測和評估土壤中EPFRs對健康和環(huán)境影響的技術(shù)（如EPR波譜）極為重要（圖2）。EPR能夠監(jiān)測自由基信號，并確定其穩(wěn)定性和持久性，這對于加深對EPFR特性隨時間變化的理解至為關(guān)鍵。

 
對五氯酚（PCP）、多環(huán)芳烴（PAH）、多氯聯(lián)苯（PCB）和多溴聯(lián)苯醚（PBDE）等有害化合物污染土壤的實驗顯示，十年至一個世紀(jì)前受污染的場地中仍含有自由基，這表明分子污染物會不斷形成EPFR [7]。先前的研究也將EPFR的形成歸因于PCP對過渡金屬的化學(xué)吸附和電子轉(zhuǎn)移，以及土壤中的其它電子冷阱 [8]。研究認(rèn)為，在不受控制的污染場所，含有受污染沉積物的水或因風(fēng)蝕而吸入的空氣粉塵可能會影響人類的肺部和心血管健康。
 
有關(guān)EPFR的未來研究工作

除了目前關(guān)于EPFRs健康影響的研究工作外，還需要作進(jìn)一步的毒理學(xué)考察，從而確定生物標(biāo)記物以支持流行病學(xué)研究，并判斷目前和以往的暴露水平。其它病癥如糖尿病也可能與接觸EPFRs有關(guān)，因此這些機(jī)制也需要進(jìn)一步深入探討。最近的一項研究將妊娠期接觸EPFRs與大鼠骨骼肌能量消耗減少和線粒體損傷相聯(lián)系[9]，這可能對挖掘肥胖病理學(xué)機(jī)制產(chǎn)生影響。
 
通過闡明這些長期存在的自由基的真正副作用，有助于制定更嚴(yán)格的污染法規(guī)，以防止疾病的發(fā)展。通過加深對EPFR的生物醫(yī)學(xué)研究，還有望為受EPFR影響的患者帶來更具針對性的治療。
 
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