吸入大气细颗粒物与肺表面活性剂、细胞交互作用的力学机制与生物学研究

The fine particulate matter (PM) particles in the air enter into human body mainly via the respiratory system, and deposit at the deep lung or translocate from the air-blood barrier into the circulatory system. During this process, the types and physicochemical properties of the PM particles determine their interaction with the cells or organs of the lung, thereby causing different biophysical effects and health risks. By considering the physicochemical properties of the PM particles, the goals of the present project are: to develop the combined methodologies in mechanics and biology for investigating the interactions between PM particles and natural pulmonary surfactant films and analyzing their inhibition to the biophysical functions of the surfactant films; to elucidate the biophysical mechanisms of the formation of lipoprotein corona during PM particles’ interaction with natural pulmonary surfactants; to explore their impacts on the cell membrane structures, the cell membrane receptor-mediated signaling pathways and related inflammation reactions. The gained results will broaden and deepen our insight into the toxicity of inhaled PM particles, and hopefully provide translational knowledge for the pulmonary drug delivery and lung injury treatment in the near future.

大气细颗粒物主要通过呼吸系统进入人体，沉积在肺部深处或通过肺部的气－血屏障进入人体循环。在此过程中，大气细颗粒物的种类及理化性质最终决定了其与肺部组织细胞或器官的交互作用强弱，并造成不同的生物效应，带来不同的健康风险。本项目拟从大气细颗粒物的物理化学性质出发，通过力学与生物学的综合交叉，研究细颗粒与天然肺表面活性剂单层膜的交互作用，分析其对单层膜生理功能的抑制机制，阐明细颗粒与天然肺表面活性剂膜交互作用过程中脂蛋白冕形成的生物物理机制，探索其随后与细胞膜交互作用的强弱、与膜受体信号通路的作用和触发炎症反应的分子机制。所获得的成果将从一个新角度丰富和加深对吸入大气细颗粒物毒理机理的认识，并有望为将来肺部药物给药和肺损伤修复的研究构建基础。

大气细颗粒物主要通过呼吸系统进入人体，沉积在肺部深处或通过肺部的气－血屏障进入人体循环。在此过程中，大气细颗粒物的种类及理化性质最终决定了其与肺部组织细胞或器官的交互作用强弱，并造成不同的生物效应，带来不同的健康风险。本项目从大气细颗粒物的物理化学性质和状态出发，通过力学与生物学的综合交叉，研究细颗粒与肺表面活性剂单层膜的交互作用。根据项目实施计划，本项目全面完成了研究目标，取得的重要进展包括：1）从分子层次厘清大气细颗粒物与肺表面活性剂膜交互作用的力学机制、水-气界面上单层膜的吸附规律；2）研究了多种细颗粒物与肺表面活性剂交互作用过程中生物分子冕的形成机制，揭示了颗粒物的不同物理化学性质如何影响分子冕构成成分的规律；3）研究了表面覆盖肺表面活性剂分子冕的颗粒物与细胞膜结构的交互作用过程，探索了分子冕-受体依赖的作用途径和纳米毒性机制；4）建立了更接近于真实生理条件的生理实验模型，实现了可控温度与湿度环境下引导颗粒物从空气一侧接触肺表面活性剂膜；5）深入研究了复杂介质中纳米颗粒的输运机理。发表了8篇SCI论文，其中7篇论文为中国科学院SCI一区论文，SCI总引用数114次。