PM1中金属元素化学形态影响肺组织氧化还原通路的分子机制研究

Airborne fine particles with a mean aerodynamic diameter of less than 1.0 μm (PM1), a component of air pollution, have been epidemiologically associated with pulmonary and cardiovascular diseases. However, the mechanisms underlying PM1 related oxidative stress in lung injury has not been fully elucidated. Recent studies have shown that the adverse effects of metal elements as major component of PM1 on human are not only related with the concentrations, but also chemical species. In this project, the concentrations, chemical species and sources of metals in the lung of PM1-treated mice will be detected and analyzed by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), near edge X-ray absorption fine sructure (NEXAFS) and positive matrix factorization method (PMF), respectively. Meanwhile, the underlying molecular mechanism of Nrf2/ARE signaling pathway are involved in PM1-induced Nrf2 nuclear translocation and enzymatic antioxidant defense in the lung alveolar epithelial cells will be investigated to explore the signaling pathway regulated by miR34a and miR93. Understanding the signaling pathways implicated in Nrf2-mediated defenses against PM1-induced oxidative stress will help develop new strategies for the prevention and treatment of pulmonary diseases associated with airborne pollution.

大气细颗粒物PM1对人类健康的影响日益受到关注，但其引发呼吸道氧化损伤的病理学机理尚不十分清楚。最近研究发现，金属元素作为PM1的重要组成成分，对健康的影响不仅与其浓度有关，还与元素的化学形态密切相关。本项目以PM1中金属元素为切入点，拟利用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、近边吸收精细结构谱（NEXAFS）和正矩阵因子分解法（PMF）分析PM1暴露小鼠肺组织中金属元素的浓度、化学形态和来源；结合分子细胞生物学技术手段，重点探讨miR34a、miR93调控抗氧化Nrf2/ARE信号通路在PM1金属元素诱导肺泡上皮细胞氧化应激效应的分子作用机制，阐明Nrf2/ARE通路中关键调控分子及效应基因的表达变化，进一步揭示PM1金属元素的化学形态与肺组织氧化损伤的关系，为PM1的毒性预防提供科学依据。

PM化学成分复杂，其污染源为一次直接排放和经光化学反应生成的二次颗粒物，严重影响我国城市空气质量。近年来PM1含量逐年上升，因此PM1污染对环境健康的影响日益受到关注。本项目通过分析北京四季PM1污染特征和来源，研究PM1组分、来源与支气管上皮细胞（BEAS-2B）氧化应激和炎症反应之间的相关性；结合动物实验，研究PM1暴露后动物肺组织的病理学变化，以及对肺组织的氧化应激和炎症作用。进一步阐明miRNA调控Nrf2/ARE信号通路在PM1金属元素诱导氧化应激中的分子作用机制。主要取得了以下研究成果：.（1）北京城市PM1中，有机物占33%、矿物质占20%、硫酸盐占12%、硝酸盐占14%、元素碳占7%、铵盐占6%、氯离子为3%、其他为5%。冬季有机物最高，春季最低；春季矿物质最高；春秋季的硝酸盐水平高于夏冬季；秋冬季EC高于春夏季；冬季的氯化物最高。PM1污染主要来自于交通排放、二次污染物、扬尘（土壤尘、道路尘和建筑尘）、燃煤以及生物质燃烧等排放。.（2）金属元素与细胞活力呈显著负相关；二次离子和金属元素与细胞内ROS生成水平升高呈显著正相关；金属元素Cd与IL-6、TNFα基因表达升高呈显著正相关。土壤尘来源与细胞活力呈显著负相关；二次无机离子和土壤尘来源与细胞内ROS生成呈显著正相关，二次无机离子来源与TNFα表达升高呈显著正相关。.（3）PM1暴露小鼠28天后，小鼠体重和肺重比无显著变化，但肺泡灌洗液的总细胞数目增多，血清炎症因子水平升高，肺组织可见炎性细胞浸润，肺组织的抗氧化酶活性明显升高，miR-196b、miR-200a、miR-122表达水平上调。PM1的金属组分在其诱导小鼠肺组织氧化应激中发挥着重要作用。.（4）PM1金属元素暴露BEAS-2B细胞后，细胞活力降低，诱导细胞内ROS生成，Nrf2转录活性增加，激活Nrf2下游调控的抗氧化酶Ho-1和Nqo-1的表达。表明PM1金属元素暴露激活呼吸系统细胞的自我抗氧化防御。抗氧化应激通路中负调控bach1基因的let7表达上调；负调控nrf2基因的miR-93表达下调。表明let7和miR-93作用于Nrf2/ARE信号通路，调控其抗氧化应激功能。