太原和广州市大气细颗粒物诱导呼吸系统疾病的质谱代谢组学研究

Fine particulate matter (PM, with the diameter <2.5 μm) is the main air pollutant with complex compositions, which significantly affects the air quality and human health in China currently. But its evaluation is not effective. Recent studies have shown that fine PM is associated with the incidence of many diseases. However, the molecular mechanisms involved in the fine PM elicited toxicity are still not well elucidated. In this study, air samples from Taiyuan in Shanxi Province and Guangzhou in Guangdong Province will be collected for the investigation. Persistent organic pollutants in fine PM will be analyzed by chromatography combined with mass spectrometry (MS). Temporal and spatial distribution characteristic will be investigated and the chemical marker will be determined. Based on the obtained results of chemical analysis, MS-based metabolomics as well as other biological and molecular biology techniques will be established and applied for the study on respiratory system disease induced by fine PM by selecting models of cell line and animal of respiratory system. The metabolic network, metabolic pathways, and the DNA adduct will be clarified at metabolism and nucleic acid levels. It is expected that the obtained results may provide evidence for investigating the correlation between fine PM exposure and the development of respiratory diseases, interpreting the biological effect and toxicological mechanism, clarifying the relationship between fine PM as well as its toxic components and respiratory diseases.

大气细颗粒物是典型的区域性复合型大气污染物，其成分复杂，对城市空气质量和人体健康有较大影响，而现有的检测方法和评价体系尙不系统完善。研究显示细颗粒物与呼吸系统疾病的发病率相关，但有关毒理作用机制尚不明确。本项目拟选择山西太原市和广东广州市的细颗粒物及其所含的典型持久性有机污染物为研究对象，开展基于色谱-质谱的成分解析研究，探讨细颗粒物样本的时空变化规律，测定典型化学标志物。在此基础上，以呼吸系统相关的细胞和动物模型作为对象，开展基于质谱方法学、化学计量学和分子生物学的毒理作用机制研究，建立细颗粒物诱导呼吸系统疾病的质谱代谢组学研究平台，从代谢和核酸水平阐明其对代谢网络、代谢活化途径、DNA加合物形成等过程的影响。本项目研究将为揭示典型地区细颗粒物暴露与呼吸系统疾病发生发展的相关性提供直接证据，阐明细颗粒物及其关键致毒组分与呼吸系统疾病的联系及其可能的影响机制。

本项目采集了太原市和广州市不同季节的大气PM2.5样本，基于色谱-质谱技术建立了PM2.5中硝基多环芳烃（NPAHs）、羟基PAHs（OHPAHs）、阻燃剂测定的新方法，应用于PM2.5中典型环境污染物暴露水平的测定，分析总结其时空变化规律，构建了PM2.5中新型污染物的测定方法和暴露水平的信息库，阐明了两城市大气PM2.5污染特征和健康风险，为同类污染物的污染效应研究提供借鉴和示范。.同时，基于质谱方法学和分子生物学方法，开展了PM2.5代谢组学和脂质代谢组学研究。通过研究，建立了典型城市大气PM2.5诱导呼吸系统疾病的质谱代谢组学平台，从代谢水平筛选出一些能够预警肺疾病发生的生物标志物，为揭示与呼吸系统疾病相关的代谢产物和代谢途径的变化规律提供了理论依据和数据支撑。结果显示，PM2.5及其提取的水溶性成分和脂溶性成分暴露可引起人BEAS-2B嘌呤代谢、精氨酸代谢、谷胱甘肽代谢通路改变，并发现了一些与氧化损伤、炎症相关的代谢通路和代谢小分子。PM2.5显著改变人A549细胞的神经鞘脂的代谢通路，造成神经酰胺显著累积，导致脂质毒性，调控了蛋白磷酸酶-1的表达和转录的剪切过程。.本项目以实验动物为模型，研究了太原市PM2.5及其组分致大鼠肺损伤的毒理学效应及其机制，结果表明，PM2.5暴露引起大鼠肺病理损伤、DNA损伤、细胞凋亡和炎症效应，PM2.5载有的NPAHs引起肺DNA损伤。其机制与PM2.5所致的肺组织异常的氧化应激、内质网应激和DNA损伤修复效应有关。同时，以细胞为模型，研究了广州和太原PM2.5对不同细胞的毒性差异及PM2.5中化学组成对其毒性的影响。结果表明，PM2.5对人正常肺上皮细胞的影响要远远大于肺癌细胞，且会引起人胚肺纤维化细胞的增殖；水溶成分可引起细胞增殖而脂溶成分会引起细胞凋亡，脂溶性成分在PM2.5毒性中发挥了关键作用。当用单一有机污染物（PAHs、NPAHs、多溴联苯醚PBDEs、OH-PBDE、多氯联苯PCBs、溴化聚苯乙烯BPs）对细胞进行暴露时，NPAHs、OH-PAHs的毒性远远高于PBDs和BPs，且是主要的导致毒性的成分。这些研究对深入揭示PM2.5及其有害组分对呼吸系统的致病机制和保护人体健康有重要理论意义。.本项目已发表SCI论文38篇；培养博士生、硕士生以及学术骨干30名；举办4次学术交流会议。