大气细颗粒物污染暴露在呼吸系统的分布以及毒害作用的分子病理学研究

Fine particles (e.g., PM2.5) are important components in air pollution among major Chinese cities, and attracted increasing concerns regarding to their adverse impact on human health, especially respiratory systems. However, the physiological consequences of high PM2.5 exposure remain understudied. The aims of the current research are to systematically characterize and quantify the physiological, cellular and molecular reactions in the respiratory system (airway and lung tissue) after PM2.5 exposure, in terms of pollutant composition, concentration and exposure time. To achieve these goals, we design an exposure-response study using mouse models. Animals will be exposed in (1) polluted air of major Chinese cities (Beijing and Shanghai); (2) smog box, where we accurately control pollutant composition and concentration; and (3) filtered clean air. Afterwards, the respiratory system of the study mice will undergo lung function tests and immune-staining assay to examine the physical locations of the immune cells in the airway. We also will investigate the molecular level changes (gene expression and microbiome) induced by PM2.5 exposure. Further, we leverage known disease signatures (e.g. COPD, astham or lung cancer) to inform the adverse effect. Following identical design, we will study both young and adult mice in parallel, reflecting conditions of human individuals at young and adult ages, respectively. This proposed project will provide quantitative and highly interpretable data on the physiological, cellular and molecular effect of PM2.5 exposure, and guidance on controlling air pollution as well as reducing the risks of human diseases.

大气细颗粒物(PM2.5)污染，是我国当前环境保护和人民健康面临的突出问题。其中一个亟需阐明的科学问题是PM2.5在人类呼吸系统中的分布和对功能的影响, 即分子病理学的研究。本项目利用烟雾箱装置模拟细颗粒物污染，在精密控制的系统中进行小鼠暴露试验 （对污染物成分、浓度和暴露时间精确控制）。同时开展的实验中，小鼠暴露于城市环境空气（北京和上海）或者洁净空气中。之后利用免疫染色等生物化学或者分子生物学手段测定污染物在呼吸系统中的分布、肺组织的生理反应与损伤、以及基因表达和微生物谱的变化。利用这一实验设计，将分别研究成年和幼年小鼠，以揭示大气污染对成年人和青少年相同与异同的危害。本研究将为系统揭示大气细颗粒物对呼吸系统的影响提供科学实验基础；并量化污染物成分、浓度、暴露时间导致的肺组织生理变化。研究结果对防治与预测PM2.5污染对人民健康的危害有直接的指导作用。

大气细颗粒物(PM2.5)污染，是我国当前环境保护和人民健康面临的突出问题。本课题的目的是阐明PM2.5各个组分对呼吸系统细胞，组织和功能的影响。 研究按照年度计划顺利执行并完成。我们一共进行了三个领域的工作并取得重要结果。(1) 呼吸系统组学研究，发现人类气道上皮细胞ARV1、CST1 和PDLIM3基因表达与呼吸功能和气道疾病相关。(2) 在上海地区建立并随访健康个体和慢阻肺风险个体构成的流行病队列，收集PM2.5暴露量、肺功能和呼吸道微生物组数据。我们发现呼吸道微生物谱与肺功能的核心指标（FEV1与FEV1/FVC）显著相关：呼吸道细菌总量与FEV1/FVC 相关(pvalue = 0.0038)，呼吸道微生物谱与FEV1相关（pvalue=0.013）。 同时，PM2.5暴露量显著影响呼吸道微生物谱 (pvalue = 4.48e-11)。 (3) 在可控条件下，使用全身暴露法，开展动物试验，研究无机盐颗粒物(铵盐，硫酸盐，硝酸盐)对呼吸组织和肺功能的影响（洁净空气为对照）。每种污染物分别使用低浓度（100ug/m3）和高浓度（500ug/m3）条件。每个试验条件下，我们研究了幼年小鼠（3周龄）和成年小鼠(3月龄)的呼吸系统损伤。实验发现，硝酸盐PM2.5暴露的损伤最大，且幼年小鼠更为易感。硝酸盐PM2.5暴露导致肺泡空腔加大，气管壁增厚，吸/呼气阻力增大，肺顺应性减小等，所有上述损伤皆统计学显著(pvalue<0.05). 综上，本研究系统研究并揭示了大气细颗粒物，在生物大分子、细胞、组织和功能水平上，对呼吸系统的影响，并提供科学实验基础和方法学。我们并量化了污染物成分、浓度导致的肺组织损伤和不同年龄的易感性。研究结果对防治与预测PM2.5污染对人民健康的危害有直接的指导作用。本课题产出SCI 论文 10 篇, 培养博士生1人，硕士生1人。 参加国际会议2次，并作口头汇报 3人次。